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JP5306487B2 - Magnetoresistive effect memory - Google Patents

Magnetoresistive effect memory Download PDF

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JP5306487B2 JP2012000698A JP2012000698A JP5306487B2 JP 5306487 B2 JP5306487 B2 JP 5306487B2 JP 2012000698 A JP2012000698 A JP 2012000698A JP 2012000698 A JP2012000698 A JP 2012000698A JP 5306487 B2 JP5306487 B2 JP 5306487B2
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetoresistive memory reducing read disturbance. <P>SOLUTION: A magnetoresistive memory comprises: a magnetoresistive element 1 having a first magnetic layer not changing magnetizing direction, a second magnetic layer changing the magnetizing direction, and an intermediate layer between the first magnetic layer and the second magnetic layer; and a read circuit 2 for distinguishing data stored in the magnetoresistive element by allowing a read pulse current to flow in the magnetoresistive element 1. The read pulse current width is smaller than a period until magnetization in the second magnetic layer starts coherent precession together from an initial state. <P>COPYRIGHT: (C)2012,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた磁気抵抗効果メモリに関する。   The present invention relates to a magnetoresistive effect memory using a magnetoresistive effect element.

これまで、様々のタイプの磁気抵抗効果メモリが提案されている。近年では、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)のような、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magneto Resistive)効果を示す強磁性トンネル接合素子を用いた磁気抵抗効果メモリが注目されている。TMR効果素子としては、スピン偏極トンネル効果による磁気抵抗の変化を利用したMTJ(magnetic tunnel junction)素子を使用するのが一般的である。MTJ素子は、2枚の強磁性層の相対的な磁化配列によって、低抵抗状態と高抵抗状態とを取り、それらの抵抗状態に“0”又は“1”を対応させて、データを記憶する。   So far, various types of magnetoresistive effect memory have been proposed. In recent years, a magnetoresistive effect memory using a ferromagnetic tunnel junction element exhibiting a tunneling magnetoresistive (TMR) effect, such as a magnetoresistive random access memory (MRAM), has attracted attention. . As the TMR effect element, an MTJ (magnetic tunnel junction) element using a change in magnetoresistance due to the spin-polarized tunnel effect is generally used. The MTJ element takes a low resistance state and a high resistance state according to the relative magnetization arrangement of the two ferromagnetic layers, and stores data by corresponding “0” or “1” to these resistance states. .

磁気抵抗効果メモリのデータの書き込み方式の1つとして、電流(電子)のスピントルクによって磁性層の磁化の向きを変化させるスピン注入書き込み方式がある。スピン注入書き込み方式では、MTJ素子にある電流値以上の書き込み電流を直接流す。そして、書き込み電流がMTJ素子を流れる向きによって、MTJ素子を構成する2枚の強磁性層の相対的な磁化配列を、平行状態から反平行状態、或いは反平行状態から平行状態に変化させて、データを書き込み。磁気抵抗効果メモリのデータの読み出しは、MTJ素子の高抵抗状態と低抵抗状態の抵抗差を利用して、データを判別する。データの読み出しにおいても、データの書き込みと同様に、MTJ素子に電流(読み出し電流)を直接流す。   As one of data writing methods of the magnetoresistive effect memory, there is a spin injection writing method in which the magnetization direction of the magnetic layer is changed by the spin torque of current (electrons). In the spin injection writing method, a write current greater than or equal to the current value in the MTJ element is directly passed. Then, depending on the direction in which the write current flows through the MTJ element, the relative magnetization arrangement of the two ferromagnetic layers constituting the MTJ element is changed from the parallel state to the antiparallel state, or from the antiparallel state to the parallel state, Write data. In reading data from the magnetoresistive effect memory, the data is discriminated using the resistance difference between the high resistance state and the low resistance state of the MTJ element. In the data reading, a current (reading current) is directly passed through the MTJ element as in the data writing.

従来は、スピン注入によるMTJ素子の磁化の反転確率は、(式1)で表されような、単純な熱活性過程で示すことができると考えられてきた(例えば、非特許文献1参照)。

Figure 0005306487
Conventionally, it has been considered that the magnetization reversal probability of an MTJ element by spin injection can be represented by a simple thermal activation process as represented by (Equation 1) (for example, see Non-Patent Document 1).
Figure 0005306487

(式1)で示される磁化反転モデルは、MTJ素子に対する電流の供給時間τに対して、スピン注入によって磁化が反転しない確率(1−P(τ))は指数関数的に減少する。また、(式1)に示されるモデルでは、パルス電流を供給した直後、つまり、電流のパルス幅τが0に向かう極限の場合であってもスピン注入による磁化の反転が有限の確率で起こることになる。   In the magnetization reversal model represented by (Equation 1), the probability that the magnetization is not reversed by spin injection (1-P (τ)) decreases exponentially with respect to the current supply time τ for the MTJ element. Further, in the model shown in (Equation 1), the reversal of magnetization due to spin injection occurs with a finite probability immediately after supplying a pulse current, that is, in the limit where the pulse width τ of the current is zero. become.

一方、非特許文献2においては、以下の(式2)及び(式3)に示されるように、MTJ素子に対する電流の供給を開始した直後は、反転確率がほぼゼロである時間が存在し、その一定時間を経過した後で反転確率が増加することが、記載されている。

Figure 0005306487
On the other hand, in Non-Patent Document 2, as shown in the following (Equation 2) and (Equation 3), immediately after starting the supply of current to the MTJ element, there is a time when the inversion probability is substantially zero, It is described that the reversal probability increases after a certain period of time.
Figure 0005306487

Figure 0005306487
Figure 0005306487

スピン注入型MRAMにおいて、書き込み電流の電流値は、スピン注入によって磁化反転が生じるしきい値(以下、反転しきい値とよぶ)よりも大きな電流値に設定され、読み出し電流の電流値は、その反転しきい値よりも小さな電流値に設定される。
しかし、メモリセルアレイを構成するMTJ素子の特性ばらつきに起因して、反転しきい値もばらつく。また、同じ素子に対して、データを繰り返して書き込んだ場合においても、その素子に対する反転しきい値が揺らぐ現象がある。
In the spin injection type MRAM, the current value of the write current is set to a current value larger than a threshold value (hereinafter referred to as an inversion threshold value) at which magnetization reversal is caused by the spin injection, and the current value of the read current is A current value smaller than the inversion threshold is set.
However, the inversion threshold value also varies due to the characteristic variation of the MTJ elements constituting the memory cell array. Even when data is repeatedly written to the same element, there is a phenomenon that the inversion threshold value for the element fluctuates.

そのため、読み出し電流の電流値を、メモリセルアレイ内の反転しきい値の平均値近くに設定した場合、反転しきい値の小さいMTJ素子が、読み出し電流によって誤って反転し、読み出しディスターブが発生する可能性がある。   Therefore, when the current value of the read current is set close to the average value of the inversion threshold value in the memory cell array, the MTJ element having a small inversion threshold value may be erroneously inverted by the read current and read disturb may occur. There is sex.

読み出しディスターブの発生を防ぐためには、読み出し電流を反転しきい値電流よりも十分小さくする必要がある。しかし、読み出し電流を小さくすると、読み出し信号(ビット線の電位変動)が小さくなり、十分な読み出し感度が得られない。   In order to prevent the occurrence of read disturb, it is necessary to make the read current sufficiently smaller than the inversion threshold current. However, when the read current is reduced, the read signal (bit line potential fluctuation) becomes small, and sufficient read sensitivity cannot be obtained.

Z. Li and S. Zhang, Physical Review B, Vol. 69, 134416 (2004)Z. Li and S. Zhang, Physical Review B, Vol. 69, 134416 (2004) H. Tomita et al., Applied Physics Express, Vol. 1 (2008) 061303H. Tomita et al., Applied Physics Express, Vol. 1 (2008) 061303

本発明は、読み出しディスターブを低減する磁気抵抗効果メモリを提案する。   The present invention proposes a magnetoresistive effect memory that reduces read disturb.

本発明の実施形態の磁気抵抗効果メモリは、磁化の方向が不変な第1の磁性層から形成される参照層と、磁化の方向が可変な第2の磁性層から形成される記憶層と、前記参照層と前記記憶層との間に設けられたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子にパルス形状の読み出し電流を流して、前記磁気抵抗効果素子に記憶されたデータを判別する読み出し回路と、を具備し、前記記憶層の前記磁化は、前記第2の磁性層内の複数の磁性粒がそれぞれ有するスピンによって形成され、前記読み出し電流のパルス幅は、前記記憶層の前記磁化を形成する前記複数のスピンのそれぞれがランダムな位相で歳差運動を行っている状態から前記複数のスピンが共動してコヒーレントに歳差運動するまでの期間より短い。
A magnetoresistive effect memory according to an embodiment of the present invention includes a reference layer formed of a first magnetic layer whose magnetization direction is unchanged, a storage layer formed of a second magnetic layer whose magnetization direction is variable, A magnetoresistive effect element having a tunnel barrier layer provided between the reference layer and the storage layer, and a pulse-shaped read current is passed through the magnetoresistive effect element to store the magnetoresistive effect element. A readout circuit for discriminating data, wherein the magnetization of the storage layer is formed by spins respectively possessed by a plurality of magnetic grains in the second magnetic layer, and the pulse width of the readout current is the memory It is shorter than the period from the state in which each of the plurality of spins forming the magnetization of the layer precesses at a random phase to the time when the plurality of spins cooperate and coherently precess.

本発明によれば、読み出しディスターブを低減する磁気抵抗効果メモリを提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a magnetoresistive effect memory that reduces read disturb.

本実施形態に係る磁気抵抗効果メモリを説明するための図。The figure for demonstrating the magnetoresistive effect memory which concerns on this embodiment. 磁気抵抗効果素子の構造の一例を示す図。The figure which shows an example of the structure of a magnetoresistive effect element. 本実施形態で述べるスピン注入磁化反転モデルを説明するための図。The figure for demonstrating the spin injection magnetization reversal model described in this embodiment. 本実施形態で述べるスピン注入磁化反転モデルを説明するための図。The figure for demonstrating the spin injection magnetization reversal model described in this embodiment. 本実施形態で述べるスピン注入磁化反転モデルを説明するための図。The figure for demonstrating the spin injection magnetization reversal model described in this embodiment. 本実施形態で述べるスピン注入磁化反転モデルを説明するための図。The figure for demonstrating the spin injection magnetization reversal model described in this embodiment. 本実施形態に係る磁気抵抗効果メモリの具体例を説明するための図。The figure for demonstrating the specific example of the magnetoresistive effect memory which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る磁気抵抗効果メモリの具体例を説明するための図。The figure for demonstrating the specific example of the magnetoresistive effect memory which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る磁気抵抗効果メモリの具体例を説明するための図。The figure for demonstrating the specific example of the magnetoresistive effect memory which concerns on this embodiment. 電流密度に対する磁化反転時間の特性を示す図。The figure which shows the characteristic of the magnetization reversal time with respect to a current density. 電流密度に対する磁化反転時間の特性を示す図。The figure which shows the characteristic of the magnetization reversal time with respect to a current density. 電流密度に対する磁化反転時間の特性を示す図。The figure which shows the characteristic of the magnetization reversal time with respect to a current density. 電流密度に対する磁化反転時間の特性を示す図。The figure which shows the characteristic of the magnetization reversal time with respect to a current density. 磁化反転時間が含むパラメータの読み出しディスターブの依存性を示す図。The figure which shows the dependence of the read disturbance of the parameter containing magnetization reversal time. 磁化反転時間に対する磁性層の減衰定数の依存性を示す図。The figure which shows the dependence of the attenuation constant of a magnetic layer with respect to magnetization reversal time. 本実施形態に係る磁気抵抗効果メモリの適用例を示す図。The figure which shows the example of application of the magnetoresistive effect memory which concerns on this embodiment. メモリセルの構造の一例を示す図。FIG. 9 shows an example of a structure of a memory cell. 適用例に係るメモリに用いられる読み出し回路の構成例を示す図。FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a reading circuit used in a memory according to an application example. 適用例に係るメモリに用いられる読み出し回路の構成例を示す図。FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a reading circuit used in a memory according to an application example. 適用例に係るメモリに用いられる読み出し回路の構成例を示す図。FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a reading circuit used in a memory according to an application example. 図18及び図19に示されるメモリの読み出し動作を示す波形図。FIG. 20 is a waveform diagram showing a read operation of the memory shown in FIGS. 18 and 19. 適用例に係るメモリに用いられる読み出し回路の構成例を示す図。FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a reading circuit used in a memory according to an application example. 図21に示されるメモリの読み出し動作を示す波形図。FIG. 22 is a waveform diagram showing a read operation of the memory shown in FIG. 21. 配線をプリチャージした場合における読み出し電圧の時間変化を示す図。The figure which shows the time change of the read-out voltage when wiring is precharged. 読み出し電流とメモリセルの個数との相関関係を説明するための図。The figure for demonstrating the correlation of read-out current and the number of memory cells. 読み出し電流とメモリセルの個数との相関関係を説明するための図。The figure for demonstrating the correlation of read-out current and the number of memory cells.

以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[実施形態]
図1乃至図6を用いて、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果メモリについて、説明する。
[Embodiment]
A magnetoresistive effect memory according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1の(a)は、本実施形態に係る磁気抵抗効果メモリの構成例を示している。   FIG. 1A shows a configuration example of the magnetoresistive effect memory according to the present embodiment.

図1の(a)に示すように、磁気抵抗効果素子1は、2つのビット線BLに接続される。磁気抵抗効果素子1の一端は、ビット線BLに接続され、磁気抵抗効果素子1の他端は、スイッチTrを経由して、ビット線bBLに接続される。   As shown in FIG. 1A, the magnetoresistive effect element 1 is connected to two bit lines BL. One end of the magnetoresistive effect element 1 is connected to the bit line BL, and the other end of the magnetoresistive effect element 1 is connected to the bit line bBL via the switch Tr.

スイッチTrは、例えば、電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)である。以下、スイッチTrのことを、選択トランジスタTrとよぶ。選択トランジスタTrの電流経路の一端(ソース/ドレイン)は、磁気抵抗効果素子1の他端に接続され、選択トランジスタTrの電流経路の他端(ソース/ドレイン)は、ビット線bBLに接続される。選択トランジスタTrの制御端子(ゲート)は、ワード線WLに接続される。ワード線WLは、例えば、ビット線BL,bBLの延在方向と交差する方向に延在している。   The switch Tr is, for example, a field effect transistor (FET). Hereinafter, the switch Tr is referred to as a selection transistor Tr. One end (source / drain) of the current path of the selection transistor Tr is connected to the other end of the magnetoresistive effect element 1, and the other end (source / drain) of the current path of the selection transistor Tr is connected to the bit line bBL. . A control terminal (gate) of the selection transistor Tr is connected to the word line WL. For example, the word line WL extends in a direction crossing the extending direction of the bit lines BL and bBL.

図2は、本実施形態に係る磁気抵抗効果メモリに含まれる1個の磁気抵抗効果素子1の構成を示す断面図である。磁気抵抗効果素子1は、スピン偏極トンネル効果による磁気抵抗の変化を利用したMTJ(magnetic tunnel junction)素子が使用される。以下では、磁気抵抗効果素子1のことを、MTJ素子1とよぶ。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of one magnetoresistive element 1 included in the magnetoresistive effect memory according to the present embodiment. As the magnetoresistive effect element 1, an MTJ (magnetic tunnel junction) element using a change in magnetoresistance due to the spin-polarized tunnel effect is used. Hereinafter, the magnetoresistive effect element 1 is referred to as an MTJ element 1.

MTJ素子1は、参照層(磁化不変層ともいう)11A,11B、中間層(非磁性層)12A,12B、記憶層(磁化自由層ともいう)13A,13B、が順に積層された積層構造を有する。尚、参照層11A,11Bと記憶層13A,13Bとは、積層順序が逆であってもよい。   The MTJ element 1 has a stacked structure in which reference layers (also referred to as magnetization invariant layers) 11A and 11B, intermediate layers (nonmagnetic layers) 12A and 12B, and storage layers (also referred to as magnetization free layers) 13A and 13B are sequentially stacked. Have. The reference layers 11A and 11B and the memory layers 13A and 13B may be stacked in reverse order.

図2の(a)に示されるMTJ素子1は、参照層11A及び記憶層13Aの容易磁化方向が、膜面に対して平行になっている。図2の(a)に示されるMTJ素子1は、面内磁化型MTJ素子とよばれる。
図2の(b)に示されるMTJ素子1は、参照層11B及び記憶層13Bの容易磁化方向が、膜面(或いは積層面)に対して垂直になっている。図2の(b)に示されるMTJ素子は、垂直磁化型MTJ素子と呼ばれる。
面内磁化の磁性層は、面内方向の磁気異方性を有し、垂直磁化の磁性層は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有している。MTJ素子1に垂直磁化型を用いた場合は、面内磁化型のように磁化方向を決定するのに素子形状を制御する必要がなく、微細化に適しているという利点がある。
In the MTJ element 1 shown in FIG. 2A, the easy magnetization directions of the reference layer 11A and the storage layer 13A are parallel to the film surface. The MTJ element 1 shown in FIG. 2A is called an in-plane magnetization type MTJ element.
In the MTJ element 1 shown in FIG. 2B, the easy magnetization directions of the reference layer 11B and the storage layer 13B are perpendicular to the film surface (or laminated surface). The MTJ element shown in FIG. 2B is called a perpendicular magnetization type MTJ element.
The magnetic layer with in-plane magnetization has a magnetic anisotropy in the in-plane direction, and the magnetic layer with perpendicular magnetization has a magnetic anisotropy in the direction perpendicular to the film surface. When the perpendicular magnetization type is used for the MTJ element 1, it is not necessary to control the element shape to determine the magnetization direction as in the in-plane magnetization type, and there is an advantage that it is suitable for miniaturization.

記憶層13A,13Bは、磁化(或いはスピン)の方向が可変である(反転する)。参照層11A,11Bは、磁化の方向が不変である(固着している)。「参照層11A,11Bの磁化方向が不変である」とは、記憶層13A,13Bの磁化方向を反転させるために使用される磁化反転電流(反転しきい値)を、参照層11A,11Bに流した場合に、参照層11A,11Bの磁化方向が変化しないことを意味する。したがって、MTJ素子1において、参照層11A,11Bとして反転しきい値の大きな磁性層を用い、記憶層13A,13Bとして参照層11A,11Bよりも反転しきい値の小さい磁性層を用いることによって、磁化方向が可変の記憶層13A,13Bと磁化方向が不変の参照層11A,11Bとを備えたMTJ素子1を実現することができる。   The storage layers 13A and 13B have variable (reversed) magnetization (or spin) directions. The reference layers 11A and 11B have the same magnetization direction (fixed). “The magnetization directions of the reference layers 11A and 11B are unchanged” means that the magnetization reversal current (inversion threshold) used to reverse the magnetization directions of the storage layers 13A and 13B is applied to the reference layers 11A and 11B. This means that the magnetization directions of the reference layers 11A and 11B do not change when they are flowed. Therefore, in the MTJ element 1, by using a magnetic layer having a large inversion threshold as the reference layers 11A and 11B and using a magnetic layer having a smaller inversion threshold than the reference layers 11A and 11B as the storage layers 13A and 13B, It is possible to realize the MTJ element 1 including the storage layers 13A and 13B whose magnetization directions are variable and the reference layers 11A and 11B whose magnetization directions are unchanged.

また、参照層11A,11Bの磁化を固定する方法としては、参照層11A,11Bに隣接して反強磁性層(図示せず)を設け、参照層11A,11Bと反強磁性層との交換結合によって、参照層11A,11Bの磁化方向を固定することができる。但し、垂直磁化型のMTJ素子においては、参照層11Aに隣接して反強磁性層(図示せず)を設けずともよい。MTJ素子1の平面形状については特に制限がなく、円、楕円、正方形、長方形等のいずれを用いてもよい。また、正方形或いは長方形の角が丸くなった形状、或いは角が欠けた形状であってもよい。   As a method of fixing the magnetization of the reference layers 11A and 11B, an antiferromagnetic layer (not shown) is provided adjacent to the reference layers 11A and 11B, and the reference layers 11A and 11B are exchanged with the antiferromagnetic layer. The magnetization direction of the reference layers 11A and 11B can be fixed by the coupling. However, in the perpendicular magnetization type MTJ element, an antiferromagnetic layer (not shown) may not be provided adjacent to the reference layer 11A. The planar shape of the MTJ element 1 is not particularly limited, and any of a circle, an ellipse, a square, a rectangle, and the like may be used. Also, a square or rectangular shape with rounded corners or a shape with missing corners may be used.

参照層11A,11B及び記憶層13A,13Bは、高い保磁力を持つ磁性材料から構成され、例えば、1×10erg/cc以上の高い磁気異方性エネルギー密度を有することが好ましい。 The reference layers 11A and 11B and the storage layers 13A and 13B are made of a magnetic material having a high coercive force, and preferably have a high magnetic anisotropic energy density of, for example, 1 × 10 6 erg / cc or more.

中間層12A,12Bは、非磁性体からなり、例えば、絶縁体、半導体、金属などを用いることが可能である。中間層13は、これに絶縁体或いは半導体を用いた場合はトンネルバリア層と呼ばれる。   The intermediate layers 12A and 12B are made of a nonmagnetic material, and for example, an insulator, a semiconductor, a metal, or the like can be used. The intermediate layer 13 is called a tunnel barrier layer when an insulator or a semiconductor is used.

尚、参照層11A,11B及び記憶層13A,13Bの各々は、図示するような単層に限定されず、複数の強磁性層からなる積層構造であってもよい。また、参照層11A,11B及び記憶層13A,13Bの各々は、第1の強磁性層/非磁性層/第2の強磁性層の3層からなり、第1及び第2の強磁性層の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合(交換結合)した反強磁性結合構造であってもよいし、第1及び第2の強磁性層の磁化方向が平行状態となるように磁気結合(交換結合)した強磁性結合構造であってもよい。   Note that each of the reference layers 11A and 11B and the storage layers 13A and 13B is not limited to a single layer as illustrated, and may have a laminated structure including a plurality of ferromagnetic layers. Each of the reference layers 11A and 11B and the storage layers 13A and 13B includes three layers of a first ferromagnetic layer / a nonmagnetic layer / a second ferromagnetic layer. An antiferromagnetic coupling structure in which the magnetization directions are in an antiparallel state (magnetic coupling (exchange coupling)) may be used, or the first and second ferromagnetic layers may have a magnetization direction in a parallel state. A (exchange-coupled) ferromagnetic coupling structure may be used.

また、MTJ素子1は、ダブルジャンクション構造を有していてもよい。ダブルジャンクション構造のMTJ素子1は、第1の参照層、第1の中間層、記憶層、第2の中間層、第2の参照層が順に積層された積層構造を有する。このようなダブルジャンクション構造は、スピン注入による記憶層13A,13Bの磁化反転を制御しやすいという利点がある。   The MTJ element 1 may have a double junction structure. The MTJ element 1 having a double junction structure has a stacked structure in which a first reference layer, a first intermediate layer, a storage layer, a second intermediate layer, and a second reference layer are stacked in this order. Such a double junction structure has an advantage that it is easy to control the magnetization reversal of the storage layers 13A and 13B by spin injection.

ビット線BLには、例えば、読み出し回路2が接続される。読み出し回路2は、電流源又は電圧源やセンスアンプを備える。読み出し回路2は、読み出し動作時、読み出し電流IREADを出力する。
読み出し回路2は、スイッチ30がオフしたときに、ビット線BLから電気的に分離される。スイッチ30がオンしたときに、ビット線BLと電気的に接続される。MTJ素子1からデータの読み出す際に、スイッチ30がオンし、読み出し回路2とMTJ素子1が、電気的に接続される。
For example, the read circuit 2 is connected to the bit line BL. The read circuit 2 includes a current source or a voltage source and a sense amplifier. The read circuit 2 outputs a read current I READ during a read operation.
The read circuit 2 is electrically isolated from the bit line BL when the switch 30 is turned off. When the switch 30 is turned on, it is electrically connected to the bit line BL. When reading data from the MTJ element 1, the switch 30 is turned on, and the read circuit 2 and the MTJ element 1 are electrically connected.

以下、MTJ素子1の低抵抗状態及び高抵抗状態、及び、スピン注入によるデータの書き込みについて説明する。   Hereinafter, the low resistance state and the high resistance state of the MTJ element 1 and data writing by spin injection will be described.

参照層11A,11Bと記憶層13A,13Bとの磁化方向が平行となる平行状態(低抵抗状態)について説明する。   A parallel state (low resistance state) in which the magnetization directions of the reference layers 11A and 11B and the storage layers 13A and 13B are parallel will be described.

参照層11A,11Bを通過した電子のうちマジョリティーな電子は、参照層11A,11Bの磁化方向と平行なスピンを有する。このマジョリティーな電子のスピン角運動量が記憶層13A,13Bに移動することにより、スピントルクが記憶層13A,13Bに印加され、記憶層13A,13Bの磁化方向は、参照層11A,11Bの磁化方向と平行に揃えられる。この平行配列のとき、MTJ素子1の抵抗値は最も小さくなる。この場合が、例えば、“0”データとして扱われる。   Of the electrons that have passed through the reference layers 11A and 11B, the majority electron has a spin parallel to the magnetization direction of the reference layers 11A and 11B. When the majority electron spin angular momentum moves to the storage layers 13A and 13B, spin torque is applied to the storage layers 13A and 13B, and the magnetization directions of the storage layers 13A and 13B are the magnetization directions of the reference layers 11A and 11B. Aligned in parallel. With this parallel arrangement, the MTJ element 1 has the smallest resistance value. This case is treated as “0” data, for example.

次に、参照層11A,11Bと記憶層13A,13Bとの磁化方向が反平行となる反平行状態(高抵抗状態)について説明する。   Next, an antiparallel state (high resistance state) in which the magnetization directions of the reference layers 11A and 11B and the storage layers 13A and 13B are antiparallel will be described.

参照層11A,11Bによって反射された電子のうちマジョリティーな電子は、参照層11A,11Bの磁化方向と反平行のスピンを有する。このマジョリティーな電子のスピン角運動量が記憶層13A,13Bに移動することにより、スピントルクが記憶層13A,13Bに印加され、記憶層13A,13Bの磁化方向は、参照層11A,11Bの磁化方向と反平行に揃えられる。この反平行配列のとき、MTJ素子1の抵抗値は最も大きくなる。この場合が、例えば、“1”データとして扱われる。   Of the electrons reflected by the reference layers 11A and 11B, the majority electron has a spin antiparallel to the magnetization direction of the reference layers 11A and 11B. When the majority electron spin angular momentum moves to the storage layers 13A and 13B, spin torque is applied to the storage layers 13A and 13B, and the magnetization directions of the storage layers 13A and 13B are the magnetization directions of the reference layers 11A and 11B. And anti-parallel. In the antiparallel arrangement, the MTJ element 1 has the largest resistance value. This case is treated as “1” data, for example.

データの読み出しは、MTJ素子1に読み出し電流IREADを供給することで行われる。平行状態の抵抗値をR0、反平行状態の抵抗値をR1とすると、“(R1−R0)/R0”で定義される値を磁気抵抗比(MR比)とよぶ。磁気抵抗比はMTJ素子1を構成する材料やプロセス条件によって異なるが、数10%から数100%程度の値を取り得る。 Data is read by supplying a read current I READ to the MTJ element 1. When the resistance value in the parallel state is R0 and the resistance value in the antiparallel state is R1, the value defined by “(R1−R0) / R0” is called a magnetoresistance ratio (MR ratio). The magnetoresistance ratio varies depending on the material constituting the MTJ element 1 and the process conditions, but can take a value of several tens to several hundreds.

このMR比に起因する読み出し電流(ビット線の電位)の変動量を、検知することで、MTJ素子1に記憶された情報の読み出しを行なう。   Information stored in the MTJ element 1 is read by detecting the fluctuation amount of the read current (bit line potential) caused by the MR ratio.

読み出し回路2は、MTJ素子1に記憶されたデータを読み出す際に、例えば、図1の(b)に示されるようなパルス形状の読み出し電流IREADを、MTJ素子1に流す。 When reading data stored in the MTJ element 1, the read circuit 2 supplies a pulse-shaped read current I READ as illustrated in FIG. 1B to the MTJ element 1, for example.

本実施形態の磁気抵抗効果メモリにおいて、読み出し電流IREADのパルス幅Tは、初期状態から記憶層の磁化が共動してコヒーレントな歳差運動をするまでの期間よりも短い、ことを特徴とする。 Features In the magnetoresistive memory of the present embodiment, the pulse width T P of the read current I READ is shorter than the time to the magnetization of the storage layer from the initial state to the coherent precession cooperates, that And

また、読み出し電流IREADの電流値iRの最大値は、例えば、磁化が反転する反転しきい値ithよりも小さい値に設定される。読み出し電流IREADの電流値iRは、例えば、パルス電流の立ち上がりが終了する時間tから立ち下がりが開始する時間tまでの期間に、一定に出力される。 Further, the maximum value of the current value i R of the read current I READ is set to a value smaller than, for example, an inversion threshold i th at which the magnetization is inverted. For example, the current value i R of the read current I READ is constantly output during a period from a time t 2 when the pulse current rise ends to a time t 3 when the fall starts.

尚、本実施形態では、読み出し電流IREADのパルス幅Tは、パルスの半値全幅(FWHM:Full width at half maximum)で規定される。具体的には、パルス幅Tは、最大電流値iの1/2の値i/2を基準としたパルス幅であって、パルス電流の立ち上がりが開始する時間tと立ち上がりが終了する時間tの中間の時間と立ち下がりが開始する時間tと立ち下がりが終了する時間tの中間の時間との間の期間である。 In the present embodiment, the pulse width T P of the read current I READ, the pulse full width at half maximum: defined by (FWHM Full width at half maximum) . Specifically, the pulse width T P is a pulse width relative to the half value i R / 2 of the maximum current value i R, the time t 1 and rising to the rise of the pulse current is started ends it is a period between the middle of the time period t 4 when time and falling time t 2 intermediate falls to the time t 3 when initiating ends to.

これによって、本実施形態の磁気抵抗効果メモリは、読み出しディスターブが発生するのを低減する。   As a result, the magnetoresistive effect memory according to the present embodiment reduces the occurrence of read disturb.

このように、読み出し電流IREADのパルス幅Tが、記憶層の磁化が共動してコヒーレントな歳差運動を始めるまでの時間よりも短く設定されることで、読み出しディスターブが防止されるのは、以下に述べるスピン注入磁化反転モデルに基づく。 Thus, the pulse width T P of the read current I READ is, the magnetization of the storage layer that is set shorter than the time to initiate a coherent precession cooperates, read disturb is prevented Is based on the spin injection magnetization reversal model described below.

図3は、本実施形態で述べるスピン注入磁化反転モデルにおける、磁化反転確率の時間依存性を示している。図3の横軸は時間(単位:nsec(ナノ秒))を示している。図3の縦軸は、磁化反転確率に対応する。但し、磁化反転確率が“P”で示された場合、図3の縦軸では、Log(1−P)が示されている。“1−P”は、磁化が反転しない(データが書き込まれない)確率を示す。尚、磁化反転確率とは、あるMTJ素子に一定の電流を流した場合に、記憶層の磁化方向が反転する確率である。   FIG. 3 shows the time dependence of the magnetization reversal probability in the spin injection magnetization reversal model described in the present embodiment. The horizontal axis of FIG. 3 indicates time (unit: nsec (nanosecond)). The vertical axis in FIG. 3 corresponds to the magnetization reversal probability. However, when the magnetization reversal probability is indicated by “P”, the vertical axis in FIG. 3 indicates Log (1-P). “1-P” indicates a probability that magnetization is not reversed (data is not written). The magnetization reversal probability is the probability that the magnetization direction of the storage layer is reversed when a certain current is passed through a certain MTJ element.

図3に示される各特性曲線は、LLG(Landau-Liftshitz-Gilbert)方程式を用いたマイクロマグネティックシミュレーション(micromagnetic simulation)によって得られた結果である。このシミュレーションに用いた各パラメータは、以下のとおりである。
シミュレーションに用いられたMTJ素子は、垂直磁化型のMTJ素子である。MTJ素子の膜厚は、2.2nm、MTJ素子の直径は、30nmに設定されている。記憶層の磁化は、膜面に対して垂直方向に向いており、記憶層の磁気異方性エネルギーKuは、3.5Merg/cc、記憶層の飽和磁化Msは、500emu/ccである。エネルギーバリアΔEは、86kT(k:ボルツマン定数)である。“T”は絶対温度を示している。エネルギーバリアΔEaはMTJ素子が平行状態から反平行状態、あるいは反平行状態から平行状態に反転する過程で超えなければいけないエネルギーバリアの大きさを示している。温度(絶対温度)Tは300Kに設定される。また、MTJ素子に流れる電流密度Jの範囲は、2.8〜4MA/cmに設定される。そして、0.934〜1.436の範囲内における電流密度比J/J(22nsec,midpoint)を用いて、シミュレーションが実行されている。尚、“J”は、パルス電流の電流密度を示し、“J(22nsec,midpoint)”は、パルス幅が22nsecの書き込み電流を用いてMTJ素子にデータを書き込んだ場合に、そのMTJ素子の記憶層の磁化反転確率が0.5になる電流密度を示している。
Each characteristic curve shown in FIG. 3 is a result obtained by a micromagnetic simulation using an LLG (Landau-Liftshitz-Gilbert) equation. Each parameter used for this simulation is as follows.
The MTJ element used for the simulation is a perpendicular magnetization type MTJ element. The film thickness of the MTJ element is set to 2.2 nm, and the diameter of the MTJ element is set to 30 nm. The magnetization of the storage layer is perpendicular to the film surface, the magnetic layer has a magnetic anisotropy energy Ku of 3.5 Merg / cc, and the storage layer has a saturation magnetization Ms of 500 emu / cc. Energy barrier Delta] E a is, 86k B T: a (k B Boltzmann constant). “T” indicates an absolute temperature. The energy barrier ΔEa indicates the size of the energy barrier that must be exceeded in the process of reversing the MTJ element from the parallel state to the antiparallel state or from the antiparallel state to the parallel state. The temperature (absolute temperature) T is set to 300K. The range of the current density J flowing through the MTJ element is set to 2.8 to 4 MA / cm 2 . The simulation is executed using the current density ratio J / J C (22 nsec, midpoint) within the range of 0.934 to 1.436. “J” indicates the current density of the pulse current, and “J C (22 nsec, midpoint)” indicates that the MTJ element has a write width of 22 nsec when data is written to the MTJ element. The current density at which the magnetization reversal probability of the storage layer is 0.5 is shown.

図3においては、各電流密度比0.934〜1.436を用いたシミュレーションから得られた特性曲線に対する1次近似特性線も示されている。   FIG. 3 also shows first-order approximate characteristic lines for characteristic curves obtained from simulations using current density ratios of 0.934 to 1.436.

図3に示される各特性曲線に基づいて、スピン注入磁化反転確率P(t)は、(式4)のように近似的に表すことができる。

Figure 0005306487
Based on the characteristic curves shown in FIG. 3, the spin injection magnetization reversal probability P (t) can be approximately expressed as (Equation 4).
Figure 0005306487

“P(t)”はパルス幅tの電流パルスが、MTJ素子に流されることにより反転する確率を示している。“f”は、MTJ素子が単位時間に熱エネルギー(フォノン)を受け取る頻度である。“f”は1×10Hz程度である。“I”はパルス電流の電流値を示し、“IC0”は、1個のフォノンを受け取る時間(〜1ns程度)にパルス幅が設定された場合における0K(絶対温度)での磁化反転電流の電流値である。(式4)において、“n”は、1.5〜2の定数である。 “P (t)” indicates the probability that a current pulse having a pulse width t is inverted by flowing through the MTJ element. “F 0 ” is the frequency at which the MTJ element receives thermal energy (phonon) per unit time. “F 0 ” is about 1 × 10 9 Hz. “I” indicates the current value of the pulse current, and “I C0 ” indicates the magnetization reversal current at 0 K (absolute temperature) when the pulse width is set in the time for receiving one phonon (about 1 ns). Current value. In (Formula 4), “n” is a constant of 1.5-2.

図3に示されるように、確率Log(1−P)は、時間の変化に対して、負の値を示す。非特許文献2及び(式2)に示されるのと同様に、パルス電流がMTJ素子に与えられた直後は、記憶層の磁化の反転は起こらず、時間tを経過した後に磁化の反転が開始される。 As shown in FIG. 3, the probability Log (1-P) shows a negative value with respect to a change in time. As shown in Non-Patent Document 2 and (Equation 2), immediately after the pulse current is applied to the MTJ element, the magnetization of the memory layer does not reverse, and after time t 0 , the magnetization reversal does not occur. Be started.

そして、本実施形態においては、パルス電流の印加を開始してから磁化反転が開始するまでの時間は、MTJ素子の記憶層内において、記憶層を構成する磁性粒(結晶粒)内でそれぞれ歳差運動している磁化の位相が揃わない状態であり、磁化の位相が揃ったコヒーレントな歳差運動が実現してから、熱活性過程により磁化反転が開始される。このような磁化反転モデルが、図3及び以下の実験及びシミュレーションによって実証された。   In the present embodiment, the time from the start of applying the pulse current to the start of magnetization reversal is within the storage layer of the MTJ element, within the magnetic grains (crystal grains) constituting the storage layer. Magnetization reversal is started by the thermal activation process after realizing the coherent precession in which the phases of the magnetizations in the differential motion are not aligned and the magnetization phases are aligned. Such a magnetization reversal model was verified by FIG. 3 and the following experiments and simulations.

図4の(a)は、図3で用いた垂直磁化型MTJ素子のスピン注入磁化反転のLLG方程式によるシミュレーション結果の1つを解析したグラフである。
そのシミュレーションは、例えば、記憶層(磁性層)内の32個の磁化を示すセルを用いて、実行された。セルは、磁性層内に含まれる磁性粒に対応する。図4の(a)において、横軸は時間(単位:nsec)を示している。図4の(a)において、破線で示される特性線は、左側の軸Mz−aveに対応している。図4の(a)の左側の軸Mz−aveは、磁化のz成分(垂直成分)の平均値Mz−ave(単位:a.u.(arbitrary unit))を示している。尚、磁化のz成分のMz−aveにおいて、“1”は磁化が記憶層の膜面に対して上側を向いている状態を示し、“−1”は磁化が記憶層の膜面に対して下側を向いている状態を示している。
図4の(a)に示されるシミュレーションでは、初期状態(0nsec)において、磁化の平均値Mz−aveは、ほぼ1を示し、磁化はMTJ素子の膜面に対して垂直上向き方向を向いている。そして、0nsecにおいて、記憶層に対して磁化反転電流の供給を開始し、スピン注入によって磁化が反転して、平均値Mz−aveがほぼ−1になるまでの過程が、検証された。
FIG. 4A is a graph obtained by analyzing one of the simulation results based on the LLG equation of the spin injection magnetization reversal of the perpendicular magnetization type MTJ element used in FIG.
The simulation was performed using, for example, a cell showing 32 magnetizations in the storage layer (magnetic layer). The cell corresponds to a magnetic grain contained in the magnetic layer. In FIG. 4A, the horizontal axis indicates time (unit: nsec). In FIG. 4A, a characteristic line indicated by a broken line corresponds to the left axis Mz-ave. 4A represents the average value Mz-ave (unit: au (arbitrary unit)) of the z component (vertical component) of the magnetization. In Mz-ave of the z component of magnetization, “1” indicates a state in which the magnetization is directed upward with respect to the film surface of the storage layer, and “−1” indicates that the magnetization is with respect to the film surface of the storage layer. It shows a state of facing down.
In the simulation shown in FIG. 4A, in the initial state (0 nsec), the average value Mz-ave of the magnetization is substantially 1, and the magnetization is in the upward direction perpendicular to the film surface of the MTJ element. . Then, at 0 nsec, supply of a magnetization reversal current to the storage layer was started, and the process until the magnetization was reversed by spin injection and the average value Mz-ave became approximately −1 was verified.

図4の(a)に示すように、0nsecから3nsecまでの期間は、磁化の平均値Mz−aveの値は、ほとんど変化しない。これは、記憶層の磁化(スピン)が、反転していない期間とみなすことができる。   As shown in FIG. 4A, the magnetization average value Mz-ave hardly changes during the period from 0 nsec to 3 nsec. This can be regarded as a period in which the magnetization (spin) of the storage layer is not reversed.

図4の(a)において、実線で示される特性曲線は、右側の軸σΦに対応し、記憶層内の32個の磁化の歳差運動の位相ばらつきを示している。
図4の(b)に示されるように、磁化の向きは2つの偏角θ及び偏角Φを用いた極座標で表わすことができる。垂直磁化膜の磁化は、膜面垂直方向(z軸)を回転軸として、歳差運動を行う。赤道面cにおける、歳差運動の位相を、偏角Φと定義する。また、歳差運動を行っている際に、磁化Mの傾きとz軸とがなす角を、偏角θと定義する。
歳差運動の位相ばらつきは、偏角Φのばらつきを調べることで得られる。しかし、極座標で示される偏角Φは、+π又は−πの周期で不連続になるか、あるいは多値になる。そのため、偏角Φを単に用いて位相の分散(位相のばらつき)を計算すると、数値が不連続な部分において正確な計算結果が得られない。
そこで、本実施形態では、偏角Φの代わりに、歳差運動の位相を複素数、つまり、“Φ=cosφ+isinφ”で表わすことによって、位相の分散σΦを計算し、位相のばらつきを求めた。このように、複素数を用いて偏角Φを表現することで、数値の不連続に起因する問題は解消され、簡単に位相ばらつきを計算することができる。位相の分散σΦは以下の(式5)及び(式6)式で表わされる。

Figure 0005306487
In FIG. 4A, the characteristic curve indicated by the solid line corresponds to the right axis σΦ, and shows the phase variation of the precession of 32 magnetizations in the storage layer.
As shown in FIG. 4B, the magnetization direction can be expressed by polar coordinates using two declination angles θ and declination Φ. The magnetization of the perpendicular magnetization film precesses about the film surface perpendicular direction (z axis) as a rotation axis. The phase of precession in the equatorial plane c is defined as the declination angle Φ. In addition, the angle formed by the inclination of the magnetization M and the z-axis during precession is defined as a declination angle θ.
The phase variation of the precession is obtained by examining the variation of the declination Φ. However, the argument Φ shown in polar coordinates becomes discontinuous or multivalued with a period of + π or −π. For this reason, if the phase dispersion (phase variation) is calculated simply by using the declination Φ, an accurate calculation result cannot be obtained at a portion where the numerical values are discontinuous.
Therefore, in this embodiment, the phase variance σΦ is calculated by expressing the phase of the precession as a complex number, that is, “Φ = cosφ + isinφ”, instead of the declination Φ, and the phase variation is obtained. Thus, by expressing the argument Φ using complex numbers, the problem caused by numerical discontinuity is solved, and phase variations can be calculated easily. The phase dispersion σΦ is expressed by the following (Expression 5) and (Expression 6).
Figure 0005306487

Figure 0005306487
Figure 0005306487

(式5)及び(式6)中の“n”は、記憶層が含む磁化の個数(セル数)を示し、本例では32個である。(式5)及び(式6)中の“Σ”は、記憶層が含む全ての磁化(本例では、32個)の和(合計値)を計算することを示している。(式5)中の“*”は共役複素数を示している。(式5)及び(式6)中の“  ̄ ”は、記憶層内の全ての磁化のセル(本例では、32個)の平均値であることを示している。よって、(式5)中の“μ”は、記憶層内の全ての磁化の“Φ”の平均値を示している。   “N” in (Expression 5) and (Expression 6) indicates the number of magnetizations (number of cells) included in the storage layer, which is 32 in this example. “Σ” in (Expression 5) and (Expression 6) indicates that the sum (total value) of all the magnetizations (32 in this example) included in the storage layer is calculated. “*” In (Expression 5) indicates a conjugate complex number. “ ̄” in (Expression 5) and (Expression 6) indicates the average value of all the magnetization cells (32 in this example) in the storage layer. Therefore, “μ” in (Expression 5) indicates an average value of “Φ” of all the magnetizations in the storage layer.

図5は、記憶層17内に配置された磁化のセルを模式的に示している。尚、図5においては、複数のセル18が2次元に配置されている例を示しているが、これは、説明の簡単化のためであって、これに限定されないのはもちろんである。   FIG. 5 schematically shows a magnetization cell arranged in the storage layer 17. FIG. 5 shows an example in which a plurality of cells 18 are two-dimensionally arranged. However, this is for simplification of the description, and it is needless to say that the present invention is not limited to this.

例えば、図5の(a)に示すように、記憶層17内の各セル18の磁化19の位相が、全てランダムである場合には、位相の分散σΦは、“1”を示す。一方、図5の(b)に示すように、記憶層14内の全ての磁化19の位相が完全に揃い、且つ、偏角“Φ”の値が同じになる場合には、位相の分散σΦは“0”を示す。
本実施形態においては、磁性層内の各磁性粒の磁化の位相が揃い、共動して歳差運動することを、“コヒーレントな歳差運動”と呼ぶ。
図4の(a)に示すように、記憶層内の磁化の位相の分散σΦが減少し、磁化がコヒーレントな歳差運動になると、磁化の運動が熱活性過程に移行して、磁化が反転し始める。そして、磁化の平均値Mz−aveは減少を始める。
図4の(a)中の期間t’は、コヒーレントな歳差運動になるまでの時間に相当する。但し、同一条件でシミュレーションを繰り返して行った場合においても、初期状態からコヒーレントな歳差運動が実現するまでの期間t’は変動する。しかし、記憶層内の磁化の位相が揃い、コヒーレントな歳差運動が実現した時に、磁化の反転が開始される現象は再現される。
For example, as shown in FIG. 5A, when the phases of the magnetizations 19 of the cells 18 in the storage layer 17 are all random, the phase dispersion σΦ indicates “1”. On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the phases of all the magnetizations 19 in the storage layer 14 are completely aligned and the value of the declination “Φ” is the same, the phase dispersion σΦ Indicates “0”.
In the present embodiment, the magnetization phase of each magnetic grain in the magnetic layer is aligned and precesses by co-operation is called “coherent precession”.
As shown in FIG. 4A, when the phase dispersion σΦ of the magnetization in the storage layer decreases and the magnetization becomes a coherent precession, the magnetization moves to a thermal activation process and the magnetization is reversed. Begin to. Then, the average value Mz-ave of magnetization starts to decrease.
A period t ′ in FIG. 4A corresponds to a time until a coherent precession movement is reached. However, even when the simulation is repeated under the same conditions, the period t ′ from the initial state until the coherent precession is realized varies. However, the phenomenon that magnetization reversal is started when the phase of magnetization in the storage layer is aligned and coherent precession is realized is reproduced.

以上のことより、スピン注入磁化反転における時間t’は、記憶層17内において、磁化18の歳差運動の位相がそろわない状態(図5の(a)参照)から磁化18の歳差運動の位相がそろったコヒーレントな状態(図5の(b)参照)へ遷移するまでの時間であるとみなすことができる。したがって、コヒーレントな歳差運動になるまでの時間を経過することよって、熱活性過程に移行し、MTJ素子の記憶層のスピン反転が開始されるといえる。
尚、位相の分散σΦが、0.5程度になると、磁化の平均値Mz−aveは、初期状態(1)の95%程度に減少する。典型的な例としては、位相の分散σΦが0.5になるまでの時間を、磁化がコヒーレントな歳差運動を始めるまでの時間とみなすことができる。
From the above, the time t ′ in the spin injection magnetization reversal is the time of the precession of the magnetization 18 from the state where the phase of the precession of the magnetization 18 is not aligned in the storage layer 17 (see FIG. 5A). It can be regarded as the time until transition to a coherent state (see FIG. 5B) in which the phases are aligned. Therefore, it can be said that when the time until the coherent precession elapses, the process proceeds to the thermal activation process, and the spin inversion of the storage layer of the MTJ element is started.
When the phase dispersion σΦ is about 0.5, the average value Mz-ave of magnetization decreases to about 95% of the initial state (1). As a typical example, the time until the phase dispersion σΦ reaches 0.5 can be regarded as the time until the magnetization starts coherent precession.

この磁化の歳差運動がコヒーレントな運動になるまでの時間は、電流Iの大きさに依存し、電流Iの大きさが減少すると、磁化の歳差運動がコヒーレントな運動になるまでの時間は増加する。   The time until the magnetization precession becomes a coherent motion depends on the magnitude of the current I. When the magnitude of the current I decreases, the time until the magnetization precession becomes a coherent motion is To increase.

このコヒーレントな歳差運動が実現するまでの時間t’が存在し、且つ、コヒーレントな歳差運動が実現した後、スピン反転が開始してからスピン反転が完了するまでに有限な時間が存在する。そのため、それらの時間t’を考慮して、(式4)内の時間tが、本実施形態で述べるスピン注入磁化反転モデルのパラメータに含まれている。
尚、ここでは、スピン注入磁化反転が完了する条件は、電流(パルス電流)をオフしても記憶層のスピンが元の状態にもどらず、最後まで反転することとする。これは、図4の(b)において、磁化の向きが赤道面cまで回転し、磁化の垂直成分Mzが、“0”になることを意味する。
There is a time t ′ until the coherent precession is realized, and after the coherent precession is realized, there is a finite time from the start of the spin inversion to the completion of the spin inversion. . Therefore, considering the time t ′, the time t 0 in (Equation 4) is included in the parameters of the spin injection magnetization reversal model described in this embodiment.
Here, the condition for completing the spin injection magnetization reversal is that the spin of the memory layer does not return to the original state even when the current (pulse current) is turned off, and is reversed to the end. This means that in FIG. 4B, the magnetization direction rotates to the equatorial plane c, and the perpendicular component Mz of the magnetization becomes “0”.

図6は、磁化反転確率の時間依存性を示しており、図4の(a)と同一条件のMTJ素子の磁化反転確率の時間依存性を示している。尚、図6に示される結果は、LLG方程式を用いたマイクロマグネティックシミュレーションによって、演算されている。図6の横軸は、時間を示し、図6の縦軸は、図3と同様に、Log(1−P)を示している。   FIG. 6 shows the time dependence of the magnetization reversal probability, and shows the time dependence of the magnetization reversal probability of the MTJ element under the same conditions as in FIG. The result shown in FIG. 6 is calculated by micromagnetic simulation using the LLG equation. The horizontal axis in FIG. 6 indicates time, and the vertical axis in FIG. 6 indicates Log (1-P), as in FIG.

図6においても、記憶層の磁化がコヒーレントな歳差運動となった後、磁化の運動が熱活性過程に遷移して、記憶層の磁化が反転することが、示されている。尚、図6に示される特性線Aは、熱活性過程における磁化反転モデルを示す近似直線であり、(式4)で示される直線である。   FIG. 6 also shows that after the magnetization of the storage layer becomes a coherent precession, the movement of the magnetization transitions to a thermal activation process and the magnetization of the storage layer is reversed. A characteristic line A shown in FIG. 6 is an approximate straight line representing a magnetization reversal model in the thermal activation process, and is a straight line represented by (Equation 4).

このように、MTJ素子1の記憶層13A,13B内に存在する磁化が共動してコヒーレントに歳差運動し、その後、記憶層13A,13B内の磁化の方向が反転する。   As described above, the magnetizations existing in the storage layers 13A and 13B of the MTJ element 1 co-operate and precess, and then the magnetization directions in the storage layers 13A and 13B are reversed.

本実施形態に係る磁気抵抗効果メモリにおいて、MTJ素子に供給する読み出し電流IREADのパルス幅Tは、記憶層内の磁化が共動してコヒーレントな歳差運動し始めるまでの時間より短くされる。
これによれば、MTJ素子に読み出し電流が供給されている時間が、磁化が反転するのに要する時間より短くなり、記憶層内の磁化がコヒーレントな歳差運動をする前に、読み出し電流の供給が停止される。その結果として、読み出し電流によって磁化が反転する、すなわち、読み出し電流によってデータが書き込まれるのを抑制できる。
In the magnetoresistive memory according to the present embodiment, the pulse width T P of the read current I READ supplied to the MTJ element is shorter than the time to begin to coherent precession cooperates magnetization of the storage layer is .
According to this, the time during which the read current is supplied to the MTJ element is shorter than the time required for the magnetization to be reversed, and the read current is supplied before the magnetization in the storage layer undergoes coherent precession. Is stopped. As a result, it is possible to suppress magnetization reversal due to the read current, that is, data writing due to the read current.

したがって、本実施形態の磁気抵抗効果メモリによれば、読み出しディスターブが発生するのを低減できる。   Therefore, according to the magnetoresistive effect memory of this embodiment, occurrence of read disturb can be reduced.

[具体例]
以下、図7A及び図14を用いて、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果メモリの具体例について、説明する。
[Concrete example]
Hereinafter, a specific example of the magnetoresistive effect memory according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7A and 14.

(式4)の近似式では表せていないが、上記のように、図4の(a)に示されるコヒーレントな歳差運動が実際に実現するまでの時間t’は、MTJ素子の動作状況、記憶層の膜質、記憶層内の磁化の位相のばらつきの度合いなどによって、変動する。   Although not expressed in the approximate expression of (Expression 4), as described above, the time t ′ until the coherent precession shown in FIG. 4A is actually realized is the operating state of the MTJ element, It varies depending on the film quality of the storage layer, the degree of variation in the phase of magnetization in the storage layer, and the like.

そのため、読み出し電流IREADのパルス幅Tがある一定の時間t以下に設定されても、反転確率がゼロになるとは、必ずしも言えない。 Therefore, it is set below the read current I constant time t 0 with a pulse width T P of READ, and the inverted probability is zero does not necessarily say.

すなわち、ある一定の電流IをMTJ素子に供給した時に、磁化が反転するのに要する時間(以下、磁化反転時間又はスイッチング時間と呼ぶ)tswは、同一のMTJ素子であっても揺らぐ。この磁化反転時間tswは、(式4)中の時間t或いはコヒーレントな歳差運動になるまでの時間t’に近い値を示す。 That is, when a certain current I is supplied to the MTJ element, the time t sw required for magnetization reversal (hereinafter referred to as magnetization reversal time or switching time) fluctuates even in the same MTJ element. This magnetization reversal time t sw shows a value close to time t 0 in (Equation 4) or time t ′ until a coherent precession motion is reached.

図7Aは、MTJ素子の磁化反転時間tswの揺らぎの分布を説明するための図である。図7Aの(a),(b)の縦軸は、Z値(標準化係数)を示し、図7Aの(a),(b)の横軸は、磁化反転時間tswを示している。尚、図7Aの分布を得るのに用いたMTJ素子の条件は、図4の(a)に示した条件と同じである。 FIG. 7A is a diagram for explaining the distribution of fluctuations in the magnetization reversal time t sw of the MTJ element. The vertical axes of (a) and (b) of FIG. 7A indicate the Z value (standardization coefficient), and the horizontal axes of (a) and (b) of FIG. 7A indicate the magnetization reversal time t sw . The conditions of the MTJ element used to obtain the distribution of FIG. 7A are the same as the conditions shown in FIG.

図7Aに示されるように、磁化反転時間tswの揺らぎの分布は、図7Aの(a)に示される正規分布よりも、図7Aの(b)に示される対数正規分布に近似する。換言すると、自然対数(Ln)を用いて磁化反転時間tswの分布を表現したLn(tsw)が、正規分布を示す。 As shown in FIG. 7A, the fluctuation distribution of the magnetization reversal time t sw approximates the log normal distribution shown in FIG. 7A (b) rather than the normal distribution shown in FIG. 7A (a). In other words, Ln (t sw ) representing the distribution of the magnetization reversal time t sw using the natural logarithm (Ln) indicates a normal distribution.

磁化反転時間tswの分布Ln(tsw)におけるZ値は、以下の式で表される。

Figure 0005306487
The Z value in the distribution Ln (t sw ) of the magnetization reversal time t sw is expressed by the following equation.
Figure 0005306487

ここで、(式7)中の“E(I)”と“F(I)”は電流Iに依存する定数である。また、(式7)を変形すると、(式8)のようになる。

Figure 0005306487
Here, “E (I)” and “F (I)” in (Expression 7) are constants depending on the current I. Further, when (Equation 7) is modified, it becomes as (Equation 8).
Figure 0005306487

図7Aの(b)に示すように、磁化反転時間tswの分布Ln(tsw)は、正規分布を有する。そのため、図7BのZ値に対する確率密度の分布に示されるように、−∞(マイナス無限大)から所定のZ値になるまでの範囲における累積確率を求めることができる。換言すると、累積確率をある値に設定することで、Z値を決めることができる。
ここで、(式8)中の電流Iを、読み出し電流とする。そして、ある読み出し電流Iを1つのMTJ素子に供給した時、読み出しディスターブが発生する確率を、読み出しディスターブ発生確率qとする。この場合、図7Bに示される磁化反転時間の分布Ln(tsw)において、累積確率は、1ビット(1つのMTJ素子)の読み出しディスターブ発生確率に相当する。
As shown in FIG. 7A (b), the distribution Ln (t sw ) of the magnetization reversal time t sw has a normal distribution. Therefore, as shown in the probability density distribution with respect to the Z value in FIG. 7B, the cumulative probability in a range from −∞ (minus infinity) to a predetermined Z value can be obtained. In other words, the Z value can be determined by setting the cumulative probability to a certain value.
Here, the current I in (Equation 8) is a read current. The probability that a read disturb occurs when a certain read current I is supplied to one MTJ element is a read disturb occurrence probability q. In this case, in the magnetization reversal time distribution Ln (t sw ) shown in FIG. 7B, the cumulative probability corresponds to the read disturb occurrence probability of 1 bit (one MTJ element).

それゆえ、図7Bに示されるように、例えば、読み出しディスターブ発生確率qが0.001(=1×10−3)に設定された場合、そのZ値は、−3.09となる。このZ値(−3.09)を、(式8)の係数Zに代入することで、読み出しディスターブ発生確率qが0.001になる磁化反転時間tsw(q=1×10-3)を算出できる。そして、この得られた磁化反転時間tsw(q=1×10-3)以下に読み出し電流のパルス幅Tを設定する。これによって、その読み出し電流を用いた磁気抵抗効果メモリにおいて、読み出しディスターブ発生確率を0.001以下にできる。 Therefore, as shown in FIG. 7B, for example, when the read disturb occurrence probability q is set to 0.001 (= 1 × 10 −3 ), the Z value is −3.09. By substituting this Z value (−3.09) for the coefficient Z in (Equation 8), the magnetization reversal time t sw (q = 1 × 10 −3 ) at which the read disturb occurrence probability q becomes 0.001 is obtained. It can be calculated. The read current pulse width TP is set to be equal to or shorter than the obtained magnetization reversal time t sw (q = 1 × 10 −3 ). As a result, in the magnetoresistive effect memory using the read current, the read disturb occurrence probability can be made 0.001 or less.

ある読み出し電流における読み出しディスターブ発生確率qを1×10−9以下にする場合には、図7B中から、Z値=−6.00を求める。そして、このZ値を(式8)中の係数Zに代入して、磁化反転時間tsw(q=1×10-9)を算出する。そして、読み出し電流のパルス幅Tを時間tsw(q=1×10-9)以下に設定することで、その読み出し電流を用いた磁気抵抗効果メモリにおいて、読み出しディスターブ発生確率を1×10−9以下にできる。 When the read disturb occurrence probability q at a certain read current is set to 1 × 10 −9 or less, Z value = −6.00 is obtained from FIG. 7B. Then, by substituting this Z value into the coefficient Z in (Equation 8), the magnetization reversal time t sw (q = 1 × 10 −9 ) is calculated. Then, the pulse width T P of the read current time t sw (q = 1 × 10 -9) By setting below the magnetoresistive memory using the read current, the read disturb occurrence probability of 1 × 10 - 9 or less.

これと同様に、読み出しディスターブ発生確率qを1×10−12以下にする場合には、(式8)の係数Zに、Z値=−7.03を代入して、時間tsw(q=1×10-12)を算出し、この時間tsw(q=1×10-12)以下に、読み出し電流のパルス幅Tを設定すればよい。また、読み出しディスターブ発生確率qを4×10−14以下にする場合には、(式8)の係数Zに、Z値=−7.47を代入して、時間tsw(q=4×10-14)を算出し、この時間tsw(q=4×10-14)以下に、読み出し電流のパルス幅Tを設定すればよい。 Similarly, in order to set the read disturb occurrence probability q to 1 × 10 −12 or less, Z value = −7.03 is substituted for the coefficient Z in (Expression 8), and the time t sw (q = 1 × 10 -12) is calculated, under this time t sw (q = 1 × 10 -12), may be set the pulse width T P of the read current. When the read disturb occurrence probability q is set to 4 × 10 −14 or less, Z value = −7.47 is substituted for the coefficient Z in (Equation 8), and the time t sw (q = 4 × 10 -14) is calculated, under this time t sw (q = 4 × 10 -14), may be set the pulse width T P of the read current.

尚、Z値は、平均値からの標準偏差を表す値であって、MTJ素子の構成部材などの条件に依存しない。   The Z value is a value representing a standard deviation from the average value, and does not depend on conditions such as components of the MTJ element.

以下、磁気抵抗効果メモリの使用形態に応じたより具体的な例を提示して、許容される読み出しディスターブ発生確率、及び、要求される読み出し電流IREADのパルス幅T(tsw又は)について、説明する。 Hereinafter, a more specific example according to the use form of the magnetoresistive effect memory will be presented, and an allowable read disturb occurrence probability and a required read current I READ pulse width T P (t sw or), explain.

尚、読み出し電流のパルス幅に要求される条件を求めるにあたって、基準となる電流(電流密度)が必要になる。基準となる電流として、ここでは、“電流密度J(10nsec,midpoint)”を用いる。
図8を用いて、この電流密度J(10nsec,midpoint)について説明する。図8は、磁化反転確率Pの電流密度比J/JC0に対する依存性を示している。“J”は、パルス電流の電流密度を示し、“JC0”は、1個のフォノンを受け取る時間にパルス幅が設定された場合における反転しきい値の電流密度である。
Note that a reference current (current density) is required in order to obtain the conditions required for the pulse width of the read current. Here, “current density J C (10 nsec, midpoint)” is used as the reference current.
The current density J C (10 nsec, midpoint) will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows the dependence of the magnetization reversal probability P on the current density ratio J / J C0 . “J” indicates the current density of the pulse current, and “J C0 ” is the current density of the inversion threshold when the pulse width is set at the time of receiving one phonon.

MTJ素子に一定のパルス幅を有する電流を流して、MTJ素子の磁化を反転させる場合、MTJ素子に供給した磁化反転電流の電流密度に応じて、磁化反転確率Pは、一意に決まる。   When a current having a fixed pulse width is passed through the MTJ element to reverse the magnetization of the MTJ element, the magnetization reversal probability P is uniquely determined according to the current density of the magnetization reversal current supplied to the MTJ element.

(式2)に示される磁化反転確率P(t)を、電流密度を用いて表現すると、次式(式9)になる。

Figure 0005306487
When the magnetization reversal probability P (t) shown in (Expression 2) is expressed using current density, the following expression (Expression 9) is obtained.
Figure 0005306487

図8及び(式9)に示すように、あるMTJ素子に対して、複数の電流密度を用いて磁化反転確率P(t)を演算することによって、ある磁化反転確率になる電流密度を求めることができる。   As shown in FIG. 8 and (Equation 9), by calculating the magnetization reversal probability P (t) using a plurality of current densities for a certain MTJ element, the current density that achieves a certain magnetization reversal probability is obtained. Can do.

磁化反転確率P(t)が0.5になる電流密度は、磁化反転確率P(t)を示す特性曲線の縦軸の中点(midpoint)であり、他の電流密度を用いた磁化反転確率の算出より比較的少ない実験回数でより正確な値を求めることができる。   The current density at which the magnetization reversal probability P (t) becomes 0.5 is the midpoint of the vertical axis of the characteristic curve indicating the magnetization reversal probability P (t), and the magnetization reversal probability using other current densities. A more accurate value can be obtained with a relatively small number of experiments than the calculation of.

よって、以下、本具体例では、基準となる電流(電流密度)は、磁化反転確率が0.5になる電流とする。   Therefore, hereinafter, in this specific example, the reference current (current density) is a current at which the magnetization reversal probability is 0.5.

基準となるパルス幅については、以下のとおりである。
例えば、電流のパルス幅が1nsec程度になると、磁性層の磁化反転は、ダイナミック領域或いはプリセッション領域と呼ばれる領域における磁化反転となる。その領域における磁化反転は、10nsec以上のパルス幅を有する電流を用いた場合とは、異なる磁化反転過程を示し、磁化反転過程が断熱的な過程となる。それゆえ、1nsec程度のパルス幅の電流を読み出し電流として用いた場合には、熱擾乱によって読み出しディスターブが支配される状況とは異なる。また、磁気抵抗効果メモリに用いられる書き込み電流の典型例としては、10nsecのパルス幅が用いられている。よって、10nsecのパルス幅の書き込み電流を基準として用いることは、実用的で、検証しやすい。
The reference pulse width is as follows.
For example, when the current pulse width is about 1 nsec, the magnetization reversal of the magnetic layer becomes a magnetization reversal in a region called a dynamic region or a precession region. The magnetization reversal in that region shows a magnetization reversal process different from the case where a current having a pulse width of 10 nsec or more is used, and the magnetization reversal process becomes an adiabatic process. Therefore, when a current having a pulse width of about 1 nsec is used as the read current, it is different from the situation where the read disturb is dominated by the thermal disturbance. As a typical example of the write current used in the magnetoresistive effect memory, a pulse width of 10 nsec is used. Therefore, using a write current having a pulse width of 10 nsec as a reference is practical and easy to verify.

それゆえ、以下の各具体例においては、10nsecのパルス幅を有し、磁化反転確率Pが0.5になる電流密度J(10nsec,midpoint)を用いて、読み出し電流のパルス幅に要求される条件を求める。すなわち、電流密度J(10nsec,midpoint)が、(式8)の“I”のパラメータとなる。 Therefore, in each of the following specific examples, the read current pulse width is required using a current density J C (10 nsec, midpoint) having a pulse width of 10 nsec and a magnetization reversal probability P of 0.5. Find the conditions to be met. That is, the current density J C (10 nsec, midpoint) is a parameter of “I” in (Equation 8).

以下、この電流密度J(10nsec,midpoint)を用いて、磁気抵抗効果メモリの使用形態に応じて要求される条件について説明する。 Hereinafter, the conditions required according to the usage pattern of the magnetoresistive effect memory will be described using the current density J C (10 nsec, midpoint).

(a) 具体例1
以下、図9を用いて、本実施系形態に係る磁気抵抗効果メモリを、電力使用量メータに用いた例について、説明する。
(A) Specific example 1
Hereinafter, an example in which the magnetoresistive effect memory according to the present embodiment is used in a power usage meter will be described with reference to FIG.

電力使用量メータに用いられた磁気抵抗効果メモリ(例えば、MRAM)は、例えば、512kbit程度の記憶容量を有する。   A magnetoresistive effect memory (for example, MRAM) used in a power usage meter has a storage capacity of about 512 kbit, for example.

本具体例1の磁気抵抗効果メモリは、電力使用量記録を記憶するデータとし、そのデータが高速且つ頻繁に書き込まれる。その一方で、データの読み出し頻度は非常に少なく、その磁気抵抗効果メモリは、例えば、電力使用量の記録が1ヶ月に1回、読み出される。すなわち、データの読み出しは、1年間で12回行われる。   The magnetoresistive effect memory of this specific example 1 is used as data for storing the power consumption record, and the data is written frequently at high speed. On the other hand, the frequency of reading data is very low, and the magnetoresistive effect memory reads, for example, a record of power consumption once a month. That is, data reading is performed 12 times in one year.

このように、電力使用量メータに磁気抵抗効果メモリを用いた場合には、1ビットの読み出しディスターブ発生確率が0.001以下になっていれば、20年間の使用期間において、読み出しディスターブが発生しないで使用できる。   As described above, when the magnetoresistive effect memory is used for the power consumption meter, if the 1-bit read disturb occurrence probability is 0.001 or less, the read disturb does not occur during the 20-year use period. Can be used in

また、読み出しディスターブ発生確率qを0.001以下にするには、上述のように、図7Bにおいて、−3.09が、Z値として用いられる。   Further, in order to set the read disturb occurrence probability q to 0.001 or less, −3.09 is used as the Z value in FIG. 7B as described above.

図9は、読み出しディスターブ発生確率qが0.001になる場合における、電流密度比J/J(10nsec,midpoint)に対する磁化反転時間tsw(q=1×10-3)を求めた結果を実線で示している。図9の縦軸は、磁化反転時間tswを示し、図9の横軸は、MTJ素子に供給する電流の電流密度Jと電流密度J(10nsec,midpoint)との比を示している。尚、図9中の破線で示される特性線は、同じ電流密度比J/J(10nsec,midpoint)が用いられた場合における(式1)に示される磁化反転モデルに基づいている。 FIG. 9 shows the result of obtaining the magnetization reversal time t sw (q = 1 × 10 −3 ) with respect to the current density ratio J / J C (10 nsec, midpoint) when the read disturb occurrence probability q is 0.001. It is shown with a solid line. The vertical axis in FIG. 9 represents the magnetization reversal time t sw, and the horizontal axis in FIG. 9 represents the ratio between the current density J of the current supplied to the MTJ element and the current density J C (10 nsec, midpoint). In addition, the characteristic line shown with the broken line in FIG. 9 is based on the magnetization reversal model shown in (Formula 1) when the same current density ratio J / J C (10 nsec, midpoint) is used.

図9内の実線で示された値以下の磁化反転時間tswを、読み出し電流IREADのパルス幅Tに用いて、メモリに対する読み出しを行うことによって、読み出しディスターブ発生確率が0.001以下になる。
これによって、電力使用量メータとして使用される磁気抵抗効果メモリとして、動作が保証され、実用に耐えることができる。また、得られた特性線の形状の違いから、本発明の実施形態で述べた磁化反転モデル((式4)参照)が、(式1)に示される磁化反転モデルと異なることが分かる。
The magnetization inversion time t sw of the indicated value or less by the solid line in FIG. 9, using the pulse width T P of the read current I READ, by reading the memory, read disturb occurrence probability is 0.001 or less Become.
As a result, as a magnetoresistive effect memory used as a power consumption meter, the operation is guaranteed and it can withstand practical use. Moreover, it can be seen from the difference in the shape of the obtained characteristic lines that the magnetization reversal model (see (Equation 4)) described in the embodiment of the present invention is different from the magnetization reversal model shown in (Equation 1).

これを鑑みて、読み出し電流のパルス幅T(=tsw)(単位:nsec)として許容される条件を、読み出し電流の電流密度Jreadの関数として表すと、(式10)のようになる。

Figure 0005306487
In view of this, the condition allowed as the pulse width T P (= t sw ) (unit: nsec) of the read current is expressed as a function of the current density J read of the read current as shown in (Expression 10). .
Figure 0005306487

回路のばらつきによる読み出し電流のビット間ばらつきが数%程度見込まれるので、電流密度比J/J(10nsec,midpoint)は0.9倍以下、つまり、読み出し電流の電流密度が電流密度J(10nsec,midpoint)の0.9倍以下に設定される必要がある。図9に示すように、電流密度比J/J(10nsec,midpoint)が0.9の場合、読み出し電流のパルス幅が8nsec以下になることが分かる。 Since the variation of the read current between bits due to the variation of the circuit is expected to be about several percent, the current density ratio J / J C (10 nsec, midpoint) is 0.9 times or less, that is, the current density of the read current is the current density J C ( (10nsec, midpoint) must be set to 0.9 times or less. As shown in FIG. 9, when the current density ratio J / J C (10 nsec, midpoint) is 0.9, it can be seen that the pulse width of the read current is 8 nsec or less.

尚、本具体例では、本実施形態の磁気抵抗効果メモリを電力使用量メータに用いた場合について述べたが、これに限定されず、ガスや水道の使用量メータに用いてもよい。   In this specific example, the case where the magnetoresistive effect memory according to the present embodiment is used for a power consumption meter has been described. However, the present invention is not limited to this, and may be used for a gas or water usage meter.

(b) 具体例2
以下、図10を用いて、本実施形態に係る磁気抵抗効果メモリの具体例2について説明する。ここでは、磁気抵抗効果メモリを、コンピュータのワークメモリとして用いた場合について説明する。
コンピュータのワークメモリは、読み出し頻度が高いため、読み出しディスターブの影響を受けやすい。
以下では、1Gbitの磁気抵抗効果メモリ(例えば、MRAM)を例として、説明するが、メモリ容量には依存しないのはもちろんである。ここで、ワークメモリとしての磁気抵抗効果メモリの使用形態は、1回の書き込みサイクルが50nsecに設定され、1回の読み出しサイクルが50nsecに設定され、10年間使用する場合を例にして説明する。そして、読み出しディスターブが発生した場合、読み出しディスターブに起因するエラー(誤書き込み)は、例えば、ECC(Error checking and correcting)によって、訂正される。書き込み/読み出しデータは、例えば、32bitを1単位とし、ハミングコードで誤り訂正するためにさらに6bitを付加し、38bitのデータを1ブロックとする。そして、この1ブロックのデータに対して、書き込み/読み出しデータ内のエラーが訂正される。そして、読み出されたデータは、ECCによって毎回エラーの検知及び訂正が実行された後、メモリに再び書き込まれる。
(B) Specific example 2
Hereinafter, a specific example 2 of the magnetoresistive effect memory according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Here, a case where the magnetoresistive effect memory is used as a work memory of a computer will be described.
Since the work memory of a computer is frequently read, it is susceptible to read disturb.
In the following, a 1 Gbit magnetoresistive effect memory (for example, MRAM) will be described as an example, but of course it does not depend on the memory capacity. Here, the use form of the magnetoresistive effect memory as the work memory will be described by taking as an example a case where one write cycle is set to 50 nsec, one read cycle is set to 50 nsec, and the memory is used for 10 years. When a read disturb occurs, an error (wrong writing) due to the read disturb is corrected by, for example, ECC (Error checking and correcting). For write / read data, for example, 32 bits are set as one unit, 6 bits are further added for error correction with a Hamming code, and 38 bits of data are set as one block. An error in the write / read data is corrected with respect to this one block of data. Then, the read data is subjected to error detection and correction every time by ECC, and then written again in the memory.

本具体例2では、1回の読み出しサイクルにおいて、読み出しディスターブが発生して、読み出しディスターブに起因するエラー(誤書き込み)が1ブロック内に2bit以上同時に発生する確率p2+を、1.59×10−16未満に抑制することを要求する。この場合、ワークメモリとして磁気抵抗効果メモリを、10年間使用した場合の読み出しディスターブに起因するエラーは、0.5回未満になる。 In the second specific example, a read disturbance occurs in one read cycle, and a probability p 2+ that an error due to the read disturb (erroneous writing) occurs simultaneously in 2 bits or more in one block is 1.59 × 10. Require to be less than -16 . In this case, the error due to the read disturb when the magnetoresistive effect memory is used as a work memory for 10 years is less than 0.5 times.

1ビット(1つのMTJ素子)の読み出しディスターブ発生確率qと1ブロックに2ビット以上同時にエラーが発生する確率p2+との関係式は、(式11)乃至(式13)を用いて、以下のように示される。 The relational expression between the read disturb occurrence probability q of 1 bit (one MTJ element) and the probability p 2+ that an error occurs simultaneously in 2 bits or more in one block is expressed as follows using (Expression 11) to (Expression 13). As shown.

まず、1回の読み出しサイクルで、読み出しディスターブに起因するエラーが発生しない確率pは、(式11)のように表せる。

Figure 0005306487
First, the probability p 0 that an error due to read disturb does not occur in one read cycle can be expressed as (Equation 11).
Figure 0005306487

ここで、(式11)において、“j”は1ブロック内のビット数を示し、本具体例2では、38である。   Here, in (Equation 11), “j” indicates the number of bits in one block, which is 38 in the second specific example.

1回の読み出しサイクルで、1ブロック内に1ビットの読み出しディスターブに起因するエラーが発生する確率pは、(式12)のように表せる。

Figure 0005306487
The probability p 1 that an error due to 1-bit read disturb occurs in one block in one read cycle can be expressed as (Equation 12).
Figure 0005306487

1ブロック内に2ビット以上同時に読み出しディスターブに起因するエラーが発生する確率p2+は、(式11)と(式12)とを用いて、(式13)のように示される。

Figure 0005306487
The probability p 2+ that an error due to read disturb occurs simultaneously in two or more bits in one block is expressed as (Expression 13) using (Expression 11) and (Expression 12).
Figure 0005306487

上記のように、本具体例2では、2ビット以上同時に読み出しディスターブが発生する確率p2+は、1.59×10−16未満であることが要求される。
(式13)に基づくと、1ビットの読み出しディスターブ発生確率qが1×10−9未満にされることで、2ビット以上同時に読み出しディスターブに起因するエラーが発生する確率p2+が1.59×10−16未満になる。
As described above, in this specific example 2, it is required that the probability p 2+ that two or more bits are simultaneously read disturbed is less than 1.59 × 10 −16 .
Based on (Equation 13), since the 1-bit read disturb occurrence probability q is set to be less than 1 × 10 −9 , the probability p 2+ of occurrence of errors due to read disturb simultaneously with 2 bits or more is 1.59 ×. Less than 10-16 .

よって、コンピュータのワークメモリとして使用し、10年間使用する場合において読み出しディスターブに起因するエラーの発生を0.5回未満にするには、1ビットの読み出しディスターブ発生確率qを、1×10−9未満に設定すればよい。 Therefore, when used as a work memory of a computer and used for 10 years, in order to reduce the occurrence of errors due to read disturb to less than 0.5 times, the 1-bit read disturb occurrence probability q is set to 1 × 10 −9. It may be set to less than.

図10は、読み出しディスターブ発生確率qが1×10−9になる場合における電流密度比J/J(10nsec,midpoint)に対する磁化反転時間tsw(q=1×10-9)を求めた結果を実線で示している。図10内の破線で示される特性線は、(式1)に示される磁化反転モデルに基づいている。 FIG. 10 shows the result of obtaining the magnetization reversal time t sw (q = 1 × 10 −9 ) with respect to the current density ratio J / J C (10 nsec, midpoint) when the read disturb occurrence probability q is 1 × 10 −9. Is shown by a solid line. The characteristic line shown by the broken line in FIG. 10 is based on the magnetization reversal model shown in (Formula 1).

尚、読み出しディスターブ発生確率qが1×10−9になるZ値は、上記のように、−6.00である。 The Z value at which the read disturb occurrence probability q is 1 × 10 −9 is −6.00 as described above.

実線で示された値以下の磁化反転時間tswを、読み出し電流IREADのパルス幅Tに用いて、メモリに対する読み出しを行うことによって、読み出しディスターブ発生確率qが、1×10−9以下になる。
これによって、ワークメモリとして使用される磁気抵抗効果メモリとして、動作が保証され、実用に耐えることができる。また、図10中に示されるように、得られた特性線が示す傾向の違いから、本発明の実施形態で述べた磁化反転モデル((式4))が、(式1)に示される磁化反転モデルと異なることが分かる。
Values following magnetization inversion time t sw indicated by solid lines, with the pulse width T P of the read current I READ, by reading the memory, the read disturb occurrence probability q is the 1 × 10 -9 or less Become.
As a result, as a magnetoresistive effect memory used as a work memory, the operation is guaranteed and can be practically used. Further, as shown in FIG. 10, the magnetization reversal model (Equation 4) described in the embodiment of the present invention has the magnetization shown in Eq. 1 because of the difference in tendency indicated by the obtained characteristic line. It turns out that it is different from the inversion model.

また、図9に示された例と同様に、読み出し電流のパルス幅Tとして許容される条件を、読み出し電流の電流密度Jreadの関数として表すと(式14)のように表せる。

Figure 0005306487
As in the example shown in FIG. 9, the condition that acceptable pulse width T P of the read current, expressed as expressed as a function of current density J read the read current (Equation 14).
Figure 0005306487

(c)具体例3
図11を用いて、本実施形態に係る磁気抵抗効果メモリの具体例3について、説明する。
ここでは、具体例2と同様に、コンピュータのワークメモリとして使用した場合について述べる。具体例3においては、10年間の使用期間において、読み出しディスターブに起因するエラーが0.5回程度起きる不良の発生頻度を、1ppm(1×10−6)以下にする場合を考える。この場合、1ビットのリードディスターブ発生確率qは1×10−12未満になればよい。
(C) Specific example 3
A specific example 3 of the magnetoresistive effect memory according to this embodiment will be described with reference to FIG.
Here, as in the case of the specific example 2, a case where it is used as a work memory of a computer will be described. In the third specific example, consider a case where the frequency of occurrence of a defect that causes an error due to read disturbance about 0.5 times in a 10-year usage period is 1 ppm (1 × 10 −6 ) or less. In this case, the 1-bit read disturb occurrence probability q may be less than 1 × 10 −12 .

図11は、読み出しディスターブ発生確率qが1×10−12になる場合における電流密度比J/J(10nsec,midpoint)に対する磁化反転時間tsw(q=1×10-12)を求めた結果を実線で示している。図11内の破線で示される特性線は、(式1)に示される磁化反転モデルに基づいている。尚、読み出しディスターブ発生確率qが1×10−12になるZ値は、上記のように、−7.03である。 FIG. 11 shows the result of obtaining the magnetization reversal time t sw (q = 1 × 10 −12 ) with respect to the current density ratio J / J C (10 nsec, midpoint) when the read disturb occurrence probability q is 1 × 10 −12. Is shown by a solid line. The characteristic line shown by the broken line in FIG. 11 is based on the magnetization reversal model shown in (Formula 1). The Z value at which the read disturb occurrence probability q is 1 × 10 −12 is −7.03 as described above.

図9及び図10で述べたのと同様に、実線で示された値以下の磁化反転時間tswを、読み出し電流IREADのパルス幅Tに用いて、メモリに対する読み出しを行うことによって、読み出しディスターブ発生確率qが、1×10−12以下になる。
これによって、10年間の使用期間において、読み出しディスターブに起因するエラーを0.5回程度起こす不良の発生頻度が、1ppm以下になり、ワークメモリとして使用される磁気抵抗効果メモリとして、動作が保証され、実用に耐えることができる。また、図11に示すように、得られた特性線が示す傾向の違いから、本発明の実施形態で述べた磁化反転モデル((式4)参照)が、(式1)に示される磁化反転モデルと異なることが分かる。
Similar to that described in FIGS. 9 and 10, the value following the magnetization inversion time t sw indicated by solid lines, with the pulse width T P of the read current I READ, by reading the memory, reading The disturb occurrence probability q is 1 × 10 −12 or less.
As a result, during a 10-year period of use, the frequency of occurrence of failures that cause errors due to read disturbance about 0.5 times is 1 ppm or less, and operation is guaranteed as a magnetoresistive effect memory used as a work memory. Can withstand practical use. Further, as shown in FIG. 11, the magnetization reversal model described in the embodiment of the present invention (see (Equation 4)) is different from the tendency shown by the obtained characteristic line, as shown in (Equation 1). It turns out that it is different from the model.

また、図9及び図10に示された例と同様に、本具体例3において、読み出し電流のパルス幅Tとして許容される条件を、読み出し電流の電流密度Jreadの関数として表すと、(式15)のように表せる。

Figure 0005306487
Similar to the example shown in FIGS. 9 and 10, in this example 3, the conditions allowed for the pulse width T P of the read current, expressed as a function of current density J read of the read current, ( It can be expressed as Equation 15).
Figure 0005306487

(d)具体例4
図12を用いて、本実施形態に係る磁気抵抗効果メモリの具体例4について、説明する。具体例4においては、具体例2及び具体例3と同様に、コンピュータのワークメモリとして使用する場合について述べる。
具体例4では、データを読み出すたびにECCを毎回行って、データを検証及び訂正するのではなく、1000回の読み出し動作に対して、1回程度データを訂正し、訂正したデータをメモリに書き戻す場合について考える。
そして、10年間の使用期間において、読み出しディスターブに起因するエラーが0.5回程度起きる不良の発生頻度を、1ppm以下にする。この場合、1ビットの読み出しディスターブ発生確率qは4×10−14未満になればよい。
(D) Specific example 4
A specific example 4 of the magnetoresistive effect memory according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In specific example 4, as in specific example 2 and specific example 3, the case where it is used as a work memory of a computer will be described.
In specific example 4, every time data is read, ECC is performed every time, and the data is not verified and corrected. Instead, the data is corrected about once for 1000 reading operations, and the corrected data is written to the memory. Think about returning.
Then, in a 10-year usage period, the frequency of occurrence of defects in which errors due to read disturb occur about 0.5 times is set to 1 ppm or less. In this case, the 1-bit read disturb occurrence probability q should be less than 4 × 10 −14 .

図12において、読み出しディスターブ発生確率qが4×10−14になる場合における電流密度比J/J(10nsec,midpoint)に対する磁化反転時間tsw(q=4×10-14)を求めた結果を実線で示している。尚、図12内の破線で示される特性線は、(式1)に示される磁化反転モデルに基づいている。尚、読み出しディスターブ発生確率qが4×10−14になるZ値は、上記のように、−7.47である。 In FIG. 12, the result of obtaining the magnetization reversal time t sw (q = 4 × 10 −14 ) with respect to the current density ratio J / J C (10 nsec, midpoint) when the read disturb occurrence probability q is 4 × 10 −14. Is shown by a solid line. In addition, the characteristic line shown with the broken line in FIG. 12 is based on the magnetization reversal model shown by (Formula 1). The Z value at which the read disturb occurrence probability q is 4 × 10 −14 is −7.47 as described above.

他の例と同様に、実線で示された値以下の磁化反転時間tswを、読み出し電流IREADのパルス幅Tに用いて、メモリに対する読み出しを行うことによって、読み出しディスターブ発生確率qが、4×10−14以下になる。
これによって、10年間の使用期間内で、1000回の読み出し動作に対して1回データを訂正する場合に、読み出しディスターブに起因するエラーが0.5回程度起きる不良の発生頻度を、1ppm以下になる。尚、図12に示す例においても、本発明の実施形態で述べた磁化反転モデル((式4)参照)が、(式1)に示される磁化反転モデルと異なることが分かる。
As with other examples, the value following the magnetization inversion time t sw indicated by solid lines, with the pulse width T P of the read current I READ, by reading the memory, the read disturb occurrence probability q is, 4 × 10 −14 or less.
As a result, when data is corrected once for 1000 reading operations within a 10-year period of use, the frequency of occurrence of defects that cause errors due to reading disturbance about 0.5 times is reduced to 1 ppm or less. Become. Also in the example shown in FIG. 12, it can be seen that the magnetization reversal model (see (Equation 4)) described in the embodiment of the present invention is different from the magnetization reversal model shown in (Equation 1).

本具体例4においても、他の例と同様に、読み出し電流のパルス幅Tとして許容される条件を、読み出し電流の電流密度Jreadの関数として表すと、(式16)のように表せる。

Figure 0005306487
Also in this example 4, similarly to the other examples, the conditions allowed for the pulse width T P of the read current, expressed as a function of current density J read of the read current can be expressed as (Equation 16).
Figure 0005306487

(e)まとめ
(読み出し電流のパルス幅について)
具体例1乃至具体例4で述べたように、メモリチップにおいて、1ビット(1つのMTJ素子)に対する読み出しディスターブ発生確率qとして許容される値は、不良発生の頻度の保証値、読み出し回数の動作条件、ECCなどの誤り訂正技術の適用など、メモリチップの使用状況によって、一意的に求めることができる。
(E) Summary
(About pulse width of read current)
As described in the specific examples 1 to 4, in the memory chip, the allowable value for the read disturb occurrence probability q for one bit (one MTJ element) is the guaranteed value of the occurrence frequency of defects and the operation of the number of read times. It can be uniquely determined according to the usage status of the memory chip, such as conditions and application of error correction technology such as ECC.

読み出しディスターブ発生確率qを使用形態に応じた許容値以下にするためには、他の条件が一定とした場合、読み出し電流のパルス幅Tをある一定値以下にしなければならない。
(式10)、(式14)、(式15)及び(式16)のような読み出し電流IREADのパルス幅T(磁化反転時間tsw)として許容される条件に基づいて、読み出し電流IREADのパルス幅Tについて規格化を行うと、以下の式で表される。

Figure 0005306487
To allowable value or less according to the usage pattern read disturb occurrence probability q, if other conditions are constant, it must be below a certain value the pulse width T P of the read current.
Based on the conditions allowed as the pulse width T P (magnetization reversal time t sw ) of the read current I READ such as (Expression 10), (Expression 14), (Expression 15), and (Expression 16), the read current I Doing normalized for pulse width T P of READ, it is expressed by the following equation.
Figure 0005306487

(式17)中の係数“A”及び係数“B”は、1ビット、つまり、1つのMTJ素子に対する読み出しディスターブ発生確率qに依存するパラメータである。係数“A”及び係数“B”は、記憶層の材料特性や寸法に依存するパラメータである。特に、係数“A”は、記憶層の減衰定数や飽和磁化に強く依存する。記憶層の他の材料特性及び寸法に対する係数“A”及び“B”の依存性は、小さい。   The coefficient “A” and the coefficient “B” in (Expression 17) are parameters that depend on one bit, that is, the read disturb occurrence probability q for one MTJ element. The coefficient “A” and the coefficient “B” are parameters that depend on the material characteristics and dimensions of the memory layer. In particular, the coefficient “A” strongly depends on the attenuation constant and saturation magnetization of the storage layer. The dependence of the coefficients “A” and “B” on other material properties and dimensions of the storage layer is small.

図13は、シミュレーションや実験から、(式16)に含まれるパラメータ“A”及び“B”の読み出しディスターブ発生確率qに対する依存性を示している。尚、シミュレーション及び実験に用いられた記憶層の減衰定数αdampは0.01、記憶層の飽和磁化Msは500emu/ccに設定されている。 FIG. 13 shows the dependence of the parameters “A” and “B” included in (Equation 16) on the read disturb occurrence probability q from simulations and experiments. Note that the attenuation constant α damp of the storage layer used in the simulation and experiment is set to 0.01, and the saturation magnetization Ms of the storage layer is set to 500 emu / cc.

図13において、横軸は、読み出しディスターブ発生確率qを示している。図13において、左側の縦軸はパラメータAの値を示し、右側の縦軸はパラメータBの値を示している。また、実線はパラメータAの特性線を示し、破線は係数Bの特性線を示している。図13に示されるパラメータA,Bの特性線は、例えば、以下の(式18)及び(式19)のように表せる。尚、(式18)及び(式19)において、“Ln”は、自然対数を表している。

Figure 0005306487
In FIG. 13, the horizontal axis represents the read disturb occurrence probability q. In FIG. 13, the left vertical axis indicates the value of parameter A, and the right vertical axis indicates the value of parameter B. The solid line indicates the characteristic line of parameter A, and the broken line indicates the characteristic line of coefficient B. The characteristic lines of the parameters A and B shown in FIG. 13 can be expressed as, for example, (Equation 18) and (Equation 19) below. In (Equation 18) and (Equation 19), “Ln” represents a natural logarithm.
Figure 0005306487

Figure 0005306487
Figure 0005306487

上記の(式17)乃至(式19)を用いて、読み出し電流のパルス幅をより精細に設定することで、読み出しディスターブを低減する磁気抵抗効果メモリを提供できる。   By using the above (Equation 17) to (Equation 19) and setting the pulse width of the read current more precisely, it is possible to provide a magnetoresistive effect memory that reduces read disturb.

(磁化反転時間の減衰定数の依存性について)
ここでは、MTJ素子の磁化反転時間(読み出し電流のパルス幅)に対する記憶層の減衰定数依存性について、述べる。
MTJ素子の磁化反転時間は、記憶層の飽和磁化が大きいほど長くなり、記憶層の減衰定数が小さいほど長くなる。
(Dependence of damping constant on magnetization reversal time)
Here, the dependence of the attenuation constant of the storage layer on the magnetization reversal time (read current pulse width) of the MTJ element will be described.
The magnetization reversal time of the MTJ element becomes longer as the saturation magnetization of the storage layer becomes larger, and becomes longer as the attenuation constant of the storage layer becomes smaller.

図14は、記憶層の減衰定数をαdamp=0.01とαdamp=0.03とに、それぞれ設定した場合における、電流密度比J/J(10nsec,midpoint)対する磁化反転時間tswの変化を示している。尚、図14においては、読み出しディスターブ発生確率qは、1×10−3に設定される。図14の横軸は電流密度比J/J(10nsec,midpoint)を示し、図14の縦軸は磁化反転時間tsw(=パルス幅T)を示している。 FIG. 14 shows the magnetization reversal time t sw for the current density ratio J / J C (10 nsec, midpoint) when the damping constant of the storage layer is set to α damp = 0.01 and α damp = 0.03, respectively. Shows changes. In FIG. 14, the read disturb occurrence probability q is set to 1 × 10 −3 . The horizontal axis in FIG. 14 indicates the current density ratio J / J C (10 nsec, midpoint), and the vertical axis in FIG. 14 indicates the magnetization reversal time t sw (= pulse width T P ).

図14に示すように、記憶層の減衰定数αdampを0.01とした場合、その磁化反転速度tswは、減衰定数αdampを0.03とした場合の磁化反転速度に比較して、2.3倍程度大きくなる。 As shown in FIG. 14, when the attenuation constant α damp of the storage layer is 0.01, the magnetization reversal speed t sw is compared with the magnetization reversal speed when the attenuation constant α damp is 0.03. 2.3 times larger.

図14から得られる磁化反転時間の記憶層の依存性に基づいて、パラメータAは、以下の(式20)で示すことができる。

Figure 0005306487
Based on the dependence of the magnetization reversal time obtained from FIG. 14 on the storage layer, the parameter A can be expressed by the following (formula 20).
Figure 0005306487

(式20)内で示される各定数は、以下のとおりである。“αdamp”は記憶層の減衰定数を示し、例えば、0.05〜0.01の値である。“MS”は記憶層の飽和磁化を示し、単位はemu/ccである。記憶層の飽和磁化Msは、例えば、500〜1000emu/ccである。“Ln”は自然対数を示す。“q”は、1ビット(1つのMTJ素子)の読み出しディスターブ発生確率である。 Each constant shown in (Formula 20) is as follows. “Α damp ” indicates the attenuation constant of the storage layer, and is, for example, a value of 0.05 to 0.01. “MS” indicates the saturation magnetization of the storage layer, and its unit is emu / cc. The saturation magnetization Ms of the storage layer is, for example, 500 to 1000 emu / cc. “Ln” indicates a natural logarithm. “Q” is a read disturb occurrence probability of 1 bit (one MTJ element).

このように、(式20)に示される係数Aは、記憶層の減衰定数及び飽和磁化を用いて示すことができる。よって、(式20)に示される読み出し電流のパルス幅Tは、記憶層の減衰定数及び飽和磁化に依存した値である。 Thus, the coefficient A shown in (Equation 20) can be expressed using the attenuation constant and saturation magnetization of the storage layer. Thus, the pulse width T P of the read current shown in (Equation 20) is a damping constant and a value that depends on the saturation magnetization of the storage layer.

以上のように、MTJ素子を構成する記憶層の減衰定数及び飽和磁化を考慮することで、より好ましい読み出し電流のパルス幅Tを設定できる。 As described above, by taking into account the damping constant and the saturation magnetization of the storage layer of the MTJ element can be set the pulse width T P more preferred read current.

以上、本実施形態の具体例で述べたように、(式17)乃至(式20)を用いて読み出し電流のパルス幅Tを設定することによって、磁気抵抗効果メモリ(例えば、MRAM)の使用形態に応じた好ましいパルス幅Tを設定できる。
したがって、磁気抵抗効果メモリの読み出しディスターブを低減できる。
Thus, as described in the specific example of the present embodiment, the use of (Formula 17) to by setting the pulse width T P of the read current using (Equation 20), the magnetoresistive memory (e.g., MRAM) It can be set preferably pulse width T P in accordance with the embodiment.
Therefore, read disturb of the magnetoresistive effect memory can be reduced.

[適用例]
本発明の実施形態の適用例について説明する。
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果メモリは、スピン注入型磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)に用いられる。以下、図15乃至図25を用いて、MRAMの構成について、説明する。
[Application example]
An application example of the embodiment of the present invention will be described.
The magnetoresistive effect memory according to the embodiment of the present invention is used for a spin injection type magnetoresistive random access memory (MRAM). Hereinafter, the configuration of the MRAM will be described with reference to FIGS.

(1) 全体構成
図15は、MRAMのメモリセルアレイ近傍の回路構成を示す図である。
(1) Overall configuration
FIG. 15 is a diagram showing a circuit configuration in the vicinity of the memory cell array of the MRAM.

複数のメモリセルMCは、メモリセルアレイ20内にアレイ状に配置される。   The plurality of memory cells MC are arranged in an array in the memory cell array 20.

図16は、メモリセルアレイ20内に設けられるメモリセルMCの構造の一例を示す図である。MTJ素子1の上端は、上部電極31を介して上部ビット線32に接続される。また、MTJ素子1の下端は、下部電極33、引き出し配線34及びプラグ35を介して、選択トランジスタSTのソース/ドレイン拡散層37aに接続される。選択トランジスタSTのソース/ドレイン拡散層37bは、プラグ41を介して下部ビット線42に接続される。   FIG. 16 is a diagram showing an example of the structure of the memory cell MC provided in the memory cell array 20. The upper end of the MTJ element 1 is connected to the upper bit line 32 via the upper electrode 31. The lower end of the MTJ element 1 is connected to the source / drain diffusion layer 37a of the select transistor ST via the lower electrode 33, the lead-out wiring 34, and the plug 35. The source / drain diffusion layer 37 b of the selection transistor ST is connected to the lower bit line 42 via the plug 41.

ソース/ドレイン拡散層37a及びソース/ドレイン拡散層37b間の半導体基板(チャネル領域)36上には、ゲート絶縁膜38を介してゲート電極(ワード線)39が形成される。
尚、下部電極33及び引き出し電極34の少なくとも1つを省略してもよい。例えば、下部電極33を省略する場合には、MTJ素子1は、引き出し配線34上に形成される。また、引き出し配線34を省略する場合には、下部電極33は、プラグ35上に形成される。さらに、下部電極33及び引き出し電極34を省略する場合には、磁気抵抗効果素子1は、プラグ35上に形成される。
On the semiconductor substrate (channel region) 36 between the source / drain diffusion layer 37a and the source / drain diffusion layer 37b, a gate electrode (word line) 39 is formed via a gate insulating film 38.
Note that at least one of the lower electrode 33 and the extraction electrode 34 may be omitted. For example, when the lower electrode 33 is omitted, the MTJ element 1 is formed on the lead wiring 34. When the lead wiring 34 is omitted, the lower electrode 33 is formed on the plug 35. Further, when the lower electrode 33 and the extraction electrode 34 are omitted, the magnetoresistive effect element 1 is formed on the plug 35.

ワード線WLは、ロウ方向に延び、メモリセルMCを構成する選択トランジスタTrのゲートに接続される。   The word line WL extends in the row direction and is connected to the gate of the selection transistor Tr constituting the memory cell MC.

ワード線WLの一端は、ロウ制御回路4に接続される。ロウ制御回路4は、ワード線WLに対する選択動作を行う。   One end of the word line WL is connected to the row control circuit 4. The row control circuit 4 performs a selection operation on the word line WL.

ビット線BL,bBLは、カラム方向に延在している。ビット線BLには、MTJ素子1の一端が接続され、ビット線bBLは、選択トランジスタTrの電流経路の一端に接続されている。2本のビット線BL,bBLが、ビット線対を構成している。   The bit lines BL and bBL extend in the column direction. One end of the MTJ element 1 is connected to the bit line BL, and the bit line bBL is connected to one end of the current path of the selection transistor Tr. Two bit lines BL and bBL constitute a bit line pair.

ビット線BL,bBLの一端及び他端には、カラム制御回路3A,3Bが接続される。書き込み回路5A,5Bは、カラム制御回路3A,3Bを介して、ビット線の一端及び他端に接続される。書き込み回路5A,5Bは、書き込み電流を生成するための電流源や電圧源などのソース回路、書き込み電流を吸収するためのシンク回路を、それぞれ備える。   Column control circuits 3A and 3B are connected to one end and the other end of the bit lines BL and bBL. The write circuits 5A and 5B are connected to one end and the other end of the bit line via the column control circuits 3A and 3B. Each of the write circuits 5A and 5B includes a source circuit such as a current source and a voltage source for generating a write current, and a sink circuit for absorbing the write current.

また、読み出し回路2A,2Bは、ビット線BL,bBLの一端及び他端には、カラム制御回路3A,3Bを介して、接続される。読み出し回路2A,2Bは、読み出し電流を発生する電圧源又は電流源や、読み出し信号の検知及び増幅を行うセンスアンプ、データを一時的に保持するラッチ回路などを含んでいる。   The read circuits 2A and 2B are connected to one end and the other end of the bit lines BL and bBL via the column control circuits 3A and 3B. The read circuits 2A and 2B include a voltage source or current source that generates a read current, a sense amplifier that detects and amplifies a read signal, a latch circuit that temporarily holds data, and the like.

カラム制御回路3A,3B内には、ビット線BL,bBLと書き込み回路5A,5Bとの導通状態を制御するスイッチ回路や、ビット線BL,bBLと読み出し回路2A,2Bとの導通状態を制御するスイッチ回路が設けられている。   In the column control circuits 3A and 3B, a switch circuit for controlling the conduction state between the bit lines BL and bBL and the write circuits 5A and 5B, and a conduction state between the bit lines BL and bBL and the read circuits 2A and 2B are controlled. A switch circuit is provided.

書き込み動作時、カラム制御回路3A,3B内において、書き込み対象となるメモリセルMCに接続されたスイッチ回路がオンになり、その他のスイッチ回路がオフになる。また、ロウ制御回路2によって、選択されたメモリセルMC内の選択トランジスタSTがオンされる。そして、書き込みデータに応じた向きの書き込み電流が、選択されたメモリセルMCに供給される。データの書き込み時、電流を流す向きに応じて、いずれか一方の書き込み回路5A,5Bはソース側となり、他方の書き込み回路5A,5Bはシンク側となる。   During the write operation, in the column control circuits 3A and 3B, the switch circuit connected to the memory cell MC to be written is turned on, and the other switch circuits are turned off. In addition, the row control circuit 2 turns on the selection transistor ST in the selected memory cell MC. Then, a write current having a direction corresponding to the write data is supplied to the selected memory cell MC. When writing data, one of the write circuits 5A and 5B is on the source side, and the other write circuit 5A and 5B is on the sink side, depending on the direction of current flow.

以下、MRAMの読み出し回路の構成例及び読み出し動作例について、詳細に述べる。   Hereinafter, a configuration example and a read operation example of the read circuit of the MRAM will be described in detail.

(2) 読み出し回路
(a) 基本構成
図17は、読み出し回路2A,2Bが備えるセンスアンプ21及びラッチ回路22の構成例を示す図である。
図17の(a)に示されるように、センスアンプ21は、制御信号(以下、S/A駆動信号とよぶ)EN,bENによって、その動作が制御される。センスアンプ21の2つの入力端子には、参照信号REF及び入力信号(読み出し信号)INが、それぞれ入力される。読み出し信号INは、読み出し電流IREADがMTJ素子を流れたときに、MTJ素子のMR比(データ)に応じて変動するビット線の電位の値である。参照信号REFは、読み出し信号の電位レベルを判定するための基準となる一定の電位である。
(2) Reading circuit
(A) Basic configuration
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration example of the sense amplifier 21 and the latch circuit 22 included in the read circuits 2A and 2B.
As shown in FIG. 17A, the operation of the sense amplifier 21 is controlled by control signals (hereinafter referred to as S / A drive signals) EN and bEN. A reference signal REF and an input signal (read signal) IN are input to the two input terminals of the sense amplifier 21, respectively. The read signal IN is the value of the potential of the bit line that varies according to the MR ratio (data) of the MTJ element when the read current I READ flows through the MTJ element. The reference signal REF is a constant potential that serves as a reference for determining the potential level of the read signal.

センスアンプ21の出力端子は、ラッチ回路22の入力端子に接続される。
ラッチ回路22は、制御信号(以下、データ取り込み信号とよぶ)LCHによって、その動作が制御される。ラッチ回路22は、センスアンプ21から出力された信号を一時的に保持し、その保持した信号を、出力信号OUTとして出力する。出力信号OUTが、メモリセルから読み出されたデータに対応する。
The output terminal of the sense amplifier 21 is connected to the input terminal of the latch circuit 22.
The operation of the latch circuit 22 is controlled by a control signal (hereinafter referred to as a data capture signal) LCH. The latch circuit 22 temporarily holds the signal output from the sense amplifier 21 and outputs the held signal as the output signal OUT. The output signal OUT corresponds to data read from the memory cell.

図17の(b)は、センスアンプ21とラッチ回路22とを組み合わせた回路の一例を示している。   FIG. 17B shows an example of a circuit in which the sense amplifier 21 and the latch circuit 22 are combined.

図17の(b)に示される例では、2つのCMOSインバータから構成されるフリップフロップ回路FFが設けられている。フリップフロップ回路FFには、Pチャネル型電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)24Bを経由して、電源電位Vddが供給される。Pチャネル型FET24Bのゲートには、制御信号bENが入力され、その制御信号bENによって、FET24Bのオン/オフが制御される。
また、フリップフロップ回路FFには、Nチャネル型FET24Aを経由して、グランド電位Vss(GND)が供給される。FET24Aのゲートには、制御信号ENが入力され、その制御信号ENによって、FET24Aのオン/オフが制御される。
制御信号ENと制御信号bENは互いに相補の関係を有しており、制御信号ENが“H(high)”レベルのとき、制御信号bENは“L(low)”レベルを示す。制御信号ENが“L”レベルの時には、制御信号bENは“H”レベルを示す。
In the example shown in FIG. 17B, a flip-flop circuit FF composed of two CMOS inverters is provided. A power supply potential Vdd is supplied to the flip-flop circuit FF via a P-channel field effect transistor (FET) 24B. A control signal bEN is input to the gate of the P-channel FET 24B, and on / off of the FET 24B is controlled by the control signal bEN.
Further, the ground potential Vss (GND) is supplied to the flip-flop circuit FF via the N-channel FET 24A. A control signal EN is input to the gate of the FET 24A, and on / off of the FET 24A is controlled by the control signal EN.
The control signal EN and the control signal bEN have a complementary relationship, and when the control signal EN is at the “H (high)” level, the control signal bEN indicates the “L (low)” level. When the control signal EN is at “L” level, the control signal bEN indicates “H” level.

フリップフロップ回路FFの2つのノードn1,n2には、Nチャネル型FET23A,23Bがそれぞれ接続される。   N-channel FETs 23A and 23B are connected to the two nodes n1 and n2 of the flip-flop circuit FF, respectively.

ノードn1には、Nチャネル型FET23Aの電流経路の一端が接続される。Nチャネル型FET23Aの電流経路の他端には、参照信号REFが入力される。Nチャネル型FET23Aのゲートには、データ取り込み信号LCHが入力され、データ取り込み信号LCHによって、FET23Aのオン/オフが制御される。
ノードn2には、Nチャネル型FET23Bの電流経路の一端が接続される。Nチャネル型FET23Bの電流経路の他端には、読み出し信号INが入力される。Nチャネル型FET23Bのゲートには、データ取り込み信号LCHが入力され、データ取り込み信号LCHによって、FET23Bのオン/オフが制御される。
2つのFET23A,23Bにそれぞれ入力されるデータ取り込み信号LCHは、同じ信号レベルを有して、FET23A,23Bにそれぞれ入力される。
One end of the current path of the N-channel FET 23A is connected to the node n1. A reference signal REF is input to the other end of the current path of the N-channel FET 23A. A data capture signal LCH is input to the gate of the N-channel FET 23A, and on / off of the FET 23A is controlled by the data capture signal LCH.
One end of the current path of the N-channel FET 23B is connected to the node n2. The read signal IN is input to the other end of the current path of the N-channel FET 23B. A data capture signal LCH is input to the gate of the N-channel FET 23B, and on / off of the FET 23B is controlled by the data capture signal LCH.
The data capture signals LCH input to the two FETs 23A and 23B have the same signal level and are input to the FETs 23A and 23B, respectively.

ノードn1とFET23Aとの間には、ノードn3が設けられ、このノードn3に出力端子bOUTが接続される。また、ノードn2とFET23Bとの間には、ノードn4が設けられ、このノードn4に出力端子OUTが接続される。   A node n3 is provided between the node n1 and the FET 23A, and the output terminal bOUT is connected to the node n3. A node n4 is provided between the node n2 and the FET 23B, and the output terminal OUT is connected to the node n4.

(b) 構成例1
(回路構成)
図18乃至図20を用いて、本適用例に係るMRAMに用いられる読み出し回路及び読み出し動作の一例について説明する。ここでは、読み出し回路及び読み出し動作を説明するのに必要な構成要素を抽出して説明し、他の構成要素に関しては図示及び説明を省略する。尚、図15及び図17を用いて説明した構成要素と同じ要素については、同じ符号を付し、その説明は必要に応じて行う。
(B) Configuration example 1
(Circuit configuration)
An example of a read circuit and a read operation used in the MRAM according to this application example will be described with reference to FIGS. Here, constituent elements necessary for explaining the reading circuit and the reading operation are extracted and described, and illustration and description of other constituent elements are omitted. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same element as the component demonstrated using FIG.15 and FIG.17, and the description is performed as needed.

図18及び図19は、本適用例に係るMRAMの読み出し回路及び読み出し動作を説明するための構成要素を示した模式図である。図18及び図19においては、説明の簡単化のため、4個のメモリセルがロウ方向及びカラム方向に沿ってマトリクス状に配置された2×2のメモリセルアレイを図示している。   FIG. 18 and FIG. 19 are schematic diagrams showing constituent elements for explaining a read circuit and a read operation of the MRAM according to this application example. FIGS. 18 and 19 illustrate a 2 × 2 memory cell array in which four memory cells are arranged in a matrix along the row direction and the column direction for the sake of simplicity.

以下では、図18及び図19において、破線で囲まれたメモリセルSelected_MCが選択され、そのメモリセル(以下、選択セルとよぶ)内のMTJ素子に記憶されたデータの読み出す場合について説明する。   In the following, a case where a memory cell Selected_MC surrounded by a broken line in FIGS. 18 and 19 is selected and data stored in an MTJ element in the memory cell (hereinafter referred to as a selected cell) is read will be described.

メモリセルアレイ内には、4本のビット線BL<0>,bBL<0>,BL<1>,bBL<1>が設けられている。2本のビット線BL<0>,bBL<0>は一対のビット線対をなしている。これと同様に、2本のビット線BL<1>,bBL<1>が、一対のビット線対をなしている。また、メモリセルアレイ内には、2本のワード線WL<0>,WL<1>が設けられている。   In the memory cell array, four bit lines BL <0>, bBL <0>, BL <1>, bBL <1> are provided. The two bit lines BL <0> and bBL <0> form a pair of bit lines. Similarly, the two bit lines BL <1> and bBL <1> form a pair of bit lines. In addition, two word lines WL <0> and WL <1> are provided in the memory cell array.

選択セルSelected_MCは、ビット線対BL<0>、bBL<0>間に接続されている。ビット線BL<0>には、MTJ素子1の一端が接続される。MTJ素子1の他端は、選択トランジスタTrの電流経路の一端に接続される。選択トランジスタTrの電流経路の他端は、ビット線bBL<0>に接続されている。   The selected cell Selected_MC is connected between the bit line pair BL <0>, bBL <0>. One end of the MTJ element 1 is connected to the bit line BL <0>. The other end of the MTJ element 1 is connected to one end of the current path of the selection transistor Tr. The other end of the current path of the selection transistor Tr is connected to the bit line bBL <0>.

図18及び図19に示す例では、MTJ素子1の記憶層13Bがビット線BL<0>に接続され、MTJ素子1の参照層11Bが選択トランジスタTrを経由してビット線bBL<0>に接続されている。尚、MTJ素子1は、垂直磁化型であってもよいし、面内磁化型であってもよい。また、ビット線に対する参照層/記憶層の接続関係は、図18及び図19に示される例と反対であってもよい。   In the example shown in FIGS. 18 and 19, the storage layer 13B of the MTJ element 1 is connected to the bit line BL <0>, and the reference layer 11B of the MTJ element 1 is connected to the bit line bBL <0> via the selection transistor Tr. It is connected. The MTJ element 1 may be a perpendicular magnetization type or an in-plane magnetization type. Further, the connection relationship of the reference layer / storage layer with respect to the bit line may be opposite to the example shown in FIGS.

選択セルSelected_MC内の選択トランジスタTrのゲートには、ワード線WL<1>が接続されている。つまり、ワード線WL<1>が、選択されたワード線(以下、選択ワード線)となる。他のワード線WL<0>は、非選択ワード線となる。   A word line WL <1> is connected to the gate of the selection transistor Tr in the selected cell Selected_MC. That is, the word line WL <1> becomes the selected word line (hereinafter, selected word line). Other word lines WL <0> are non-selected word lines.

読み出し回路2Aは、カラム制御スイッチ(例えば、FET)30A,31Aをそれぞれ経由して、ビット線BL<0>,BL<1>に接続される。読み出し回路2Bは、カラム制御スイッチ30B,31Bをそれぞれ経由して、ビット線bBL<0>,bBL<1>に接続される。   The read circuit 2A is connected to the bit lines BL <0> and BL <1> via column control switches (for example, FETs) 30A and 31A, respectively. The read circuit 2B is connected to the bit lines bBL <0> and bBL <1> via column control switches 30B and 31B, respectively.

カラム制御スイッチ30A,30B,31A,31Bは、例えば、カラム制御回路3A,3B内に、設けられている。
ビット線対BL<0>,bBL<0>の一端及び他端に接続されたカラム制御スイッチ30A,30Bは、カラム制御信号CS<0>によって、動作(オン/オフ)が制御される。カラム制御スイッチ30A及びカラム制御スイッチ30Bには、同じ信号レベルのカラム制御信号CS<0>が入力される。
The column control switches 30A, 30B, 31A, 31B are provided, for example, in the column control circuits 3A, 3B.
The column control switches 30A and 30B connected to one end and the other end of the bit line pair BL <0> and bBL <0> are controlled (on / off) by a column control signal CS <0>. The column control signal CS <0> having the same signal level is input to the column control switch 30A and the column control switch 30B.

ビット線対BL<1>,bBL<1>の一端及び他端に接続されたカラム制御スイッチ31A,31Bは、カラム制御信号CS<1>によって、動作が制御される。カラム制御スイッチ31A及びカラム制御スイッチ31Bには、同じ信号レベルのカラム制御信号CS<1>が入力される。   The column control switches 31A and 31B connected to one end and the other end of the bit line pair BL <1> and bBL <1> are controlled by a column control signal CS <1>. The column control signal CS <1> having the same signal level is input to the column control switch 31A and the column control switch 31B.

カラム制御信号CS<0>,CS<1>が“H(high)”レベル(Vddレベル)のとき、カラム制御スイッチはオンし、カラム制御信号CS<0>,CS<1>が“L(low)”レベル(Vssレベル)のとき、カラム制御スイッチはオフする。
選択されたビット線(以下、選択ビット線とよぶ)に接続されたカラム制御スイッチはオンされ、選択ビット線以外のビット線(以下、非選択ビット線とよぶ)に接続されたカラム制御スイッチは、オフにされる。
When the column control signals CS <0> and CS <1> are at “H (high)” level (Vdd level), the column control switch is turned on and the column control signals CS <0> and CS <1> are set to “L ( low) ”level (Vss level), the column control switch is turned off.
Column control switches connected to selected bit lines (hereinafter referred to as selected bit lines) are turned on, and column control switches connected to bit lines other than selected bit lines (hereinafter referred to as non-selected bit lines) Turned off.

カラム制御スイッチがオンされることによって、選択セルSelected_MCと読み出し回路2A,2Bが電気的に接続される。
ここでは、選択ビット線はビット線BL<0>とビット線bBL<0>であり、オン状態にされるカラム制御スイッチは、スイッチ30Aとスイッチ30Bである。
When the column control switch is turned on, the selected cell Selected_MC and the read circuits 2A and 2B are electrically connected.
Here, the selected bit lines are the bit line BL <0> and the bit line bBL <0>, and the column control switches to be turned on are the switch 30A and the switch 30B.

読み出し回路2A,2B内には、図17に示されるセンスアンプ21及びラッチ回路22のほかに、読み出し電流IREADを生成するための電源(電圧源)Vdd,Vss(GND)やスイッチ25A,25B,26を備える。図18及び図19において、センスアンプ21及びラッチ回路22は、一方の読み出し回路2B内に設けられる。但し、センスアンプ21及びラッチ回路22は、ビット線の配線長に起因した読み出し感度の低減を抑制するため、読み出し回路2A及び読み出し回路2Bの両方に、設けられてもよい。 In the read circuits 2A and 2B, in addition to the sense amplifier 21 and the latch circuit 22 shown in FIG. 17, power sources (voltage sources) Vdd and Vss (GND) for generating a read current I READ and switches 25A and 25B , 26. 18 and 19, the sense amplifier 21 and the latch circuit 22 are provided in one readout circuit 2B. However, the sense amplifier 21 and the latch circuit 22 may be provided in both the read circuit 2A and the read circuit 2B in order to suppress a reduction in read sensitivity due to the bit line wiring length.

スイッチ25Aは、例えば、Pチャネル型電界効果トランジスタ(FET)である。スイッチ25Aの電流経路の一端には、電源電圧Vddが供給される。スイッチ25Aの電流経路の他端は、共通配線DQ1に接続される。スイッチ25Aは、制御信号(以下、読み出し電流駆動信号とよぶ)bRBによって、その動作が制御される。   The switch 25A is, for example, a P-channel field effect transistor (FET). The power supply voltage Vdd is supplied to one end of the current path of the switch 25A. The other end of the current path of the switch 25A is connected to the common wiring DQ1. The operation of the switch 25A is controlled by a control signal (hereinafter referred to as a read current drive signal) bRB.

スイッチ25Bは、例えば、Nチャネル型電界効果トランジスタ(FET)である。スイッチ25Bの電流経路の一端には、グランド電位Vss(GND)が供給される。スイッチ25Bの電流経路の他端は、共通配線DQ2に接続される。スイッチ25Bは、制御信号RBによって、その動作が制御される。   The switch 25B is, for example, an N channel field effect transistor (FET). A ground potential Vss (GND) is supplied to one end of the current path of the switch 25B. The other end of the current path of the switch 25B is connected to the common wiring DQ2. The operation of the switch 25B is controlled by the control signal RB.

尚、本構成例1においては、読み出し電流駆動信号bRBは、制御信号RBと個別に制御される信号として述べるが、読み出し電流駆動信号bRBと制御信号RBは、互いに相補の信号レベルを示してもよい。つまり、互いに相補の信号レベルを示す場合、読み出し電流駆動信号bRBが“L”レベルのとき、制御信号RBが読み出し電流駆動信号bRBの反転信号(“H”レベル)を示す。これによって、Pチャネル型FETのスイッチ25Aがオンするのと同時に、Nチャネル型FETであるスイッチ25Bがオンするように、制御できる。   In the first configuration example, the read current drive signal bRB is described as a signal controlled separately from the control signal RB. However, the read current drive signal bRB and the control signal RB may be complementary to each other. Good. In other words, when the signal levels are complementary to each other, when the read current drive signal bRB is at the “L” level, the control signal RB indicates an inverted signal (“H” level) of the read current drive signal bRB. Thus, control can be performed so that the switch 25B, which is an N-channel FET, is turned on at the same time as the switch 25A of the P-channel FET is turned on.

図18及び図19においては、読み出し回路2A及び読み出し回路2Bのそれぞれに、スイッチ25A,25Bを1つずつ図示しているが、読み出し回路2A,2B内には、スイッチ25Aとスイッチ25Bの両方が設けられ、それぞれ、共通配線DQ1,DQ2に接続されてもよい。   In FIGS. 18 and 19, one switch 25A and 25B are shown in each of the readout circuit 2A and the readout circuit 2B. However, both the switch 25A and the switch 25B are included in the readout circuits 2A and 2B. It may be provided and connected to the common wirings DQ1 and DQ2, respectively.

読み出し回路2B内には、スイッチ26が、設けられている。スイッチ26は、例えば、Nチャネル型電界効果トランジスタ(FET)である。スイッチ26の電流経路の一端は、センスアンプ21の入力端子に接続され、スイッチ26の電流経路の他端は、共通配線DQ1に接続される。スイッチ26のゲートには、制御信号Vclが入力され、その信号Vclによって、スイッチ26の動作(オン/オフ)が制御される。このスイッチ26は、読み出し時に、MTJ素子に印加される電位が所定の値になるように、調整する。   A switch 26 is provided in the readout circuit 2B. The switch 26 is, for example, an N channel field effect transistor (FET). One end of the current path of the switch 26 is connected to the input terminal of the sense amplifier 21, and the other end of the current path of the switch 26 is connected to the common wiring DQ1. A control signal Vcl is input to the gate of the switch 26, and the operation (on / off) of the switch 26 is controlled by the signal Vcl. The switch 26 adjusts so that the potential applied to the MTJ element becomes a predetermined value during reading.

図18に示されるように、読み出し電流IREADが、読み出し回路2Bから読み出し回路2Aへ向かって流される場合、読み出し回路2B内のスイッチ25Aがオンされ、共通配線DQ1に電源電位Vddが供給される。また、読み出し回路2A内のスイッチ25Bがオンされ、共通配線DQ2にグランド電位Vssが供給される。図18に示される例では、読み出し電流IREADは、MTJ素子1の参照層11Bから記憶層13Bへ流れる。尚、電子の移動方向は、読み出し電流IREADが流れる方向と反対方向であるのはもちろんである。 As shown in FIG. 18, when the read current I READ flows from the read circuit 2B toward the read circuit 2A, the switch 25A in the read circuit 2B is turned on, and the power supply potential Vdd is supplied to the common wiring DQ1. . Further, the switch 25B in the read circuit 2A is turned on, and the ground potential Vss is supplied to the common wiring DQ2. In the example shown in FIG. 18, the read current I READ flows from the reference layer 11B of the MTJ element 1 to the storage layer 13B. Needless to say, the moving direction of the electrons is opposite to the direction in which the read current I READ flows.

図19に示されるように、読み出し電流IREADが、読み出し回路2Aから読み出し回路2Bへ向かって流される場合、読み出し回路2A内のスイッチ25Aがオンされ、共通配線DQ2に電源電位Vddが供給される。また、読み出し回路2B内のスイッチ25Bがオンされ、共通配線DQ1にグランド電位Vssが供給される。図19に示される例では、読み出し電流IREADは、MTJ素子1の記憶層13Bから参照層11Bへ流れる。 As shown in FIG. 19, when the read current I READ flows from the read circuit 2A toward the read circuit 2B, the switch 25A in the read circuit 2A is turned on, and the power supply potential Vdd is supplied to the common wiring DQ2. . Further, the switch 25B in the read circuit 2B is turned on, and the ground potential Vss is supplied to the common wiring DQ1. In the example shown in FIG. 19, the read current I READ flows from the storage layer 13B of the MTJ element 1 to the reference layer 11B.

尚、図18及び図19では、読み出し電流IREADが電源電位(電圧源)Vddを用いて生成される例を示しているが、電圧源の代わりに、定電流源をスイッチ25Aの電流経路の一端に接続して、読み出し電流IREADを生成してもよいのは、もちろんである。 18 and 19 show an example in which the read current I READ is generated using the power supply potential (voltage source) Vdd, but instead of the voltage source, a constant current source is used in the current path of the switch 25A. Of course, the read current I READ may be generated by connecting to one end.

図18及び図19に示されるMRAMにおいて、読み出し回路2A,2Bによって生成される読み出し電流IREADのパルス幅Tは、記憶層13B内の磁化がコヒーレントな歳差運動を開始するまでの時間よりも短くなるように、スイッチ25A,25Bの動作が制御される。より具体的には、読み出し電流IREADのパルス幅Tは、(式17)乃至(式20)に示される条件を満たすように、設定及び制御される。 In the MRAM shown in FIG. 18 and FIG. 19, the pulse width T P of the read current I READ generated by the reading circuit 2A, 2B, the magnetization of the storage layer 13B is than the time until the start of coherent precession Also, the operations of the switches 25A and 25B are controlled so as to be shorter. More specifically, the pulse width T P of the read current I READ is so as to satisfy the conditions shown in (Equation 17) to (Equation 20), it is set and controlled.

(動作)
図20を用いて、図18及び図19に示される回路(MRAM)の読み出し動作について、説明する。図20は、図18及び図19に示される回路の読み出し動作のタイミングチャートを示している。ここでは、図18又は図19も用いる。図18及び図19に示す回路において、MTJ素子を流れる読み出し電流の向きが異なるのみで、その動作は実質的に同じである。尚、上述したように、読み出しの対象となる選択セルは、図18及び図19中において、破線で囲まれたセルSelected_MCであり、選択ワード線はワード線WL<1>、選択ビット線はビット線BL<0>とビット線bBL<0>である。
(Operation)
The read operation of the circuit (MRAM) shown in FIGS. 18 and 19 will be described with reference to FIG. FIG. 20 shows a timing chart of the read operation of the circuit shown in FIGS. Here, FIG. 18 or FIG. 19 is also used. In the circuits shown in FIGS. 18 and 19, the operation is substantially the same except that the direction of the read current flowing through the MTJ element is different. As described above, the selected cell to be read is the cell Selected_MC surrounded by a broken line in FIGS. 18 and 19, the selected word line is the word line WL <1>, and the selected bit line is the bit. Line BL <0> and bit line bBL <0>.

はじめに、選択ワード線WL<1>に電位Vdd(“H”レベル)が供給され、選択ワード線WL<1>が活性化される。これと同時に、選択ビット線BL<0>,bBL<0>に対するカラム制御信号SelectedCS(ここでは、CS<0>)の電位が、電位Vss(“L”レベル)から電位Vdd(“H”レベル)に遷移される。これによって、選択ビット線BL<0>,bBL<0>に接続されたカラム制御スイッチ30A,30Bがオンし、ビット線BL<0>,bBL<0>が活性化される。但し、選択ワード線WL<1>と選択ビット線BL<0>,bBL<0>は、同時に活性化せずともよい。   First, the potential Vdd (“H” level) is supplied to the selected word line WL <1>, and the selected word line WL <1> is activated. At the same time, the potential of the column control signal SelectedCS (here, CS <0>) for the selected bit lines BL <0> and bBL <0> changes from the potential Vss (“L” level) to the potential Vdd (“H” level). ). As a result, the column control switches 30A and 30B connected to the selected bit lines BL <0> and bBL <0> are turned on, and the bit lines BL <0> and bBL <0> are activated. However, the selected word line WL <1> and the selected bit lines BL <0>, bBL <0> may not be activated at the same time.

尚、選択セルに対する読み出し動作中、スイッチ26の制御信号Vclは一定の信号レベル(電位)に設定され、オン状態にされている。また、読み出し動作中、非選択ワード線WL<0>には、電位Vssが供給され、非選択ビット線に対するカラム制御信号OtherCS(ここでは、CS<1>)には電位Vssが供給される。すなわち、非選択ワード線WL<0>及び非選択ビット線BL<1>,bBL<1>は、読み出し動作中、非活性化されている。   During the read operation for the selected cell, the control signal Vcl of the switch 26 is set to a constant signal level (potential) and turned on. During the read operation, the potential Vss is supplied to the unselected word line WL <0>, and the potential Vss is supplied to the column control signal OtherCS (CS <1> in this case) for the unselected bit line. That is, the non-selected word line WL <0> and the non-selected bit lines BL <1> and bBL <1> are inactivated during the read operation.

選択ワード線WL<1>及び選択ビット線BL<0>,bBL<0>が活性化されてから所定の期間T1,T2が経過した後、読み出し電流駆動信号bRBの信号レベルが、電位Vddから電位Vssに遷移される。これによって、読み出し電流駆動信号bRBによって制御されるスイッチ(Pチャネル型FET)25Aがオンし、ビット線bBL<0>(又は、BL<0>)に電位Vddが印加される。また、読み出し動作中、例えば、制御信号RBの信号レベルは、電位Vddに一定に設定され、スイッチ(Nチャネル型FET)25Bはオンされている。よって、ビット線BL<0>(又は、bBL<0>)に電位Vssが印加される。尚、上述したように、制御信号RBが、読み出し電流駆動信号bRBの反転信号となってもよい。この場合、読み出し動作において、制御信号RBの信号レベルが、電位Vddに一定に設定され、読み出し電流駆動信号bRBの信号レベルが、電位Vssに一定に設定される。   After a predetermined period T1, T2 has elapsed since the selected word line WL <1> and the selected bit lines BL <0>, bBL <0> are activated, the signal level of the read current drive signal bRB changes from the potential Vdd. Transition to the potential Vss. As a result, the switch (P-channel FET) 25A controlled by the read current drive signal bRB is turned on, and the potential Vdd is applied to the bit line bBL <0> (or BL <0>). Further, during the read operation, for example, the signal level of the control signal RB is set to the potential Vdd, and the switch (N-channel FET) 25B is turned on. Therefore, the potential Vss is applied to the bit line BL <0> (or bBL <0>). As described above, the control signal RB may be an inverted signal of the read current drive signal bRB. In this case, in the read operation, the signal level of the control signal RB is set to be constant at the potential Vdd, and the signal level of the read current drive signal bRB is set to be constant at the potential Vss.

これによって、読み出し電流IREADが、選択セルSelected_MC内のMTJ素子1に供給される。 As a result, the read current I READ is supplied to the MTJ element 1 in the selected cell Selected_MC.

読み出し電流駆動信号bRBの信号レベルが電位Vssに遷移されてから所定の期間T3が経過した後、データ取り込み信号LCHの信号レベルが、電位Vssから電位Vddへ遷移される。
このように、読み出し電流駆動信号bRBが駆動されて、読み出し電流IREADが出力された後、データ取り込み信号LCHが駆動されて、ラッチ回路22がオンされるのは、読み出し電流IREADがMTJ素子1を流れることによって生じるビット線の電位変動、すなわち、読み出し信号が、MTJ素子1の抵抗状態(MR比)を十分に反映した信号となる前に、ラッチ回路22が、その不十分な信号をデータとして誤って取り込むのを防ぐためである。
After a predetermined period T3 elapses after the signal level of the read current drive signal bRB is changed to the potential Vss, the signal level of the data capture signal LCH is changed from the potential Vss to the potential Vdd.
As described above, after the read current drive signal bRB is driven and the read current I READ is output, the data capture signal LCH is driven and the latch circuit 22 is turned on. The read current I READ is the MTJ element. 1 before the latch circuit 22 changes the potential variation of the bit line caused by the flow of 1, that is, the read signal sufficiently reflects the resistance state (MR ratio) of the MTJ element 1. This is to prevent accidental capture as data.

所定の期間を経過した後、データ取り込み信号LCHの信号レベルが電位Vddから電位Vssにされ、ラッチ回路22はデータの取り込みを停止する。
この後、期間T4を経過してから、読み出し電流駆動信号bRBの信号レベルが、電位Vssから電位Vddにされる。読み出し電流IREADは、読み出し電流駆動信号bRBの信号レベルが、電位Vssになっている期間TREADの間、選択セル内のMTJ素子に供給されている。
ラッチ回路22が停止されてから読み出し電流IREADの供給が停止されるのは、上記と同様に、ラッチ回路22が誤ったデータを取り込むのを防止するためである。
After a predetermined period has elapsed, the signal level of the data capture signal LCH is changed from the potential Vdd to the potential Vss, and the latch circuit 22 stops capturing data.
Thereafter, after the period T4 has elapsed, the signal level of the read current drive signal bRB is changed from the potential Vss to the potential Vdd. The read current I READ is supplied to the MTJ element in the selected cell during the period T READ in which the signal level of the read current drive signal bRB is the potential Vss.
The reason why the supply of the read current I READ is stopped after the latch circuit 22 is stopped is to prevent the latch circuit 22 from taking in erroneous data as described above.

データ取り込み信号LCHの信号レベルが電位Vssにされてから所定の期間T5を経過した後、S/A駆動信号ENの信号レベルが電位Vssから電位Vddにされる。これによって、センスアンプ21が駆動し、センスアンプ21は、読み出し信号(入力信号)INと参照信号REFとを比較して、MTJ素子1の抵抗状態(MR比)に対応したビット線の電位変動を検知する。ラッチ回路22が停止された後に、センスアンプ21が駆動されることによって、センスアンプ21はビット線BL<0>,bBL<0>の変動電位(データ)の増幅を高速に行える。   After a predetermined period T5 has elapsed since the signal level of the data capture signal LCH was set to the potential Vss, the signal level of the S / A drive signal EN is changed from the potential Vss to the potential Vdd. As a result, the sense amplifier 21 is driven, and the sense amplifier 21 compares the read signal (input signal) IN with the reference signal REF, and changes the potential of the bit line corresponding to the resistance state (MR ratio) of the MTJ element 1. Is detected. By driving the sense amplifier 21 after the latch circuit 22 is stopped, the sense amplifier 21 can amplify the fluctuation potential (data) of the bit lines BL <0> and bBL <0> at high speed.

ここで、図17を用いて、センスアンプ21及びラッチ回路22の動作について、より具体的に説明する。
読み出し電流IREADが、選択セルSelected_MC内のMTJ素子1に供給されている状態で、センスアンプ21は、MTJ素子1のMR比の影響を受けたビット線BL<0>,bBL<1>の電位を読み出し信号INとして、検知する。センスアンプ21は、検知した読み出し信号INと参照信号REFとの比較結果(電位差)をラッチ回路22へ出力する。センスアンプ21の出力をラッチ回路22が保持し、データとして外部へ出力する。
図17の(b)において、読み出し電流IREADが出力され、センスアンプ21の入力となる読み出し信号INと参照信号REFとの間の電位差が検知するのに十分な値(大きさ)になったときに、データ取り込み信号LCHの信号レベルが“H(Vdd)”レベルであれば、読み出し信号INと参照信号REFに対応する電位は、出力端子OUT,bOUTに転送される。
Here, the operations of the sense amplifier 21 and the latch circuit 22 will be described more specifically with reference to FIG.
In a state where the read current I READ is supplied to the MTJ element 1 in the selected cell Selected_MC, the sense amplifier 21 receives the bit lines BL <0> and bBL <1> affected by the MR ratio of the MTJ element 1. The potential is detected as a read signal IN. The sense amplifier 21 outputs a comparison result (potential difference) between the detected read signal IN and the reference signal REF to the latch circuit 22. The latch circuit 22 holds the output of the sense amplifier 21 and outputs it as data to the outside.
In FIG. 17B, the read current I READ is output, and the potential difference between the read signal IN and the reference signal REF, which is an input to the sense amplifier 21, has become a value (size) sufficient for detection. When the signal level of the data capture signal LCH is “H (Vdd)” level, the potential corresponding to the read signal IN and the reference signal REF is transferred to the output terminals OUT and bOUT.

この後、データ取り込み信号LCHが“H”レベルから“L(Vss)”レベルに遷移れても、出力端子OUT,bOUT(ノードn3,n4)に存在する容量によって、出力端子OUT,bOUTの電位は保持される。
この保持状態で、S/A駆動信号ENが“H”レベルにされ、それと相補の関係にある制御信号bENが“L”レベルに設定されることによって、出力端子OUT,bOUTの電位が、電位Vddのレベルと電位Vssのレベルにそれぞれ増幅される。尚、電位レベルの増幅を高速化するために、出力端子OUT,bOUTの容量が等しくされることが好ましい。
Thereafter, even if the data capture signal LCH transitions from the “H” level to the “L (Vss)” level, the potentials at the output terminals OUT and bOUT are caused by the capacitances present at the output terminals OUT and bOUT (nodes n3 and n4). Is retained.
In this holding state, the S / A drive signal EN is set to the “H” level, and the control signal bEN complementary to the S / A drive signal EN is set to the “L” level, whereby the potentials of the output terminals OUT and bOUT are changed to the potential. Amplified to the level of Vdd and the level of potential Vss, respectively. In order to increase the amplification of the potential level, it is preferable that the output terminals OUT and bOUT have the same capacitance.

そして、読み出し電流駆動信号bRBの信号レベルが電位Vddにされてから所定の期間T6を経過した後、選択ワード線WL<1>の信号レベルが、電位Vddから電位Vssにされ、選択ワード線WL<1>が非活性化される。   Then, after a predetermined period T6 has elapsed since the signal level of the read current drive signal bRB is set to the potential Vdd, the signal level of the selected word line WL <1> is changed from the potential Vdd to the potential Vss, and the selected word line WL <1> is deactivated.

また、読み出し電流駆動信号bRBの信号レベルが電位Vssにされてから所定の期間T7を経過した後、選択されたカラム制御信号CS<0>の信号レベルが、電位Vddから電位Vssにされ、選択ビット線BL<0>,bBL<0>が非活性化される。これによって、選択セルselected_MCと読み出し回路2A,2Bが電気的に分離される。
以上によって、MRAMの読み出し動作が終了する。
In addition, after a predetermined period T7 has elapsed since the signal level of the read current drive signal bRB is changed to the potential Vss, the signal level of the selected column control signal CS <0> is changed from the potential Vdd to the potential Vss. Bit lines BL <0> and bBL <0> are deactivated. As a result, the selected cell selected_MC and the read circuits 2A and 2B are electrically separated.
This completes the read operation of the MRAM.

上記のように、MTJ素子に読み出し電流IREADが供給されているのは、信号bRBの信号レベルが、電位Vssになっている期間TREADである。それゆえ、この期間TREADが、記憶層13B内の磁化がコヒーレントな歳差運動するまでの時間より短くされる。より具体的には、期間TREADが、(式17)乃至(式20)を満たすMTJ素子1の磁化反転時間(スイッチング時間)tswに、設定される。
これによって、パルス幅Tが磁化反転時間tsw以下の読み出し電流IREADを、選択セル内のMTJ素子に供給できる。
As described above, the read current I READ is supplied to the MTJ element during the period T READ in which the signal level of the signal bRB is at the potential Vss. Therefore, this period T READ is made shorter than the time until the magnetization in the storage layer 13B coherently precesses. More specifically, the period T READ is set to the magnetization reversal time (switching time) t sw of the MTJ element 1 that satisfies (Expression 17) to (Expression 20).
Thus, the pulse width T P is the read current I READ follows the magnetization inversion time t sw, can be supplied to the MTJ element in the selected cell.

したがって、本構成例1に係るMRAMによれば、読み出しディスターブが低減されたMRAMを提供できる。   Therefore, the MRAM according to Configuration Example 1 can provide an MRAM with reduced read disturb.

(c) 構成例2
(回路構成)
図21及び図22を用いて、本実施形態の適用例であるMRAMの構成例2について、説明する。ここでは、構成例1で述べた構成例との相違点を主に説明し、共通する構成要素についての説明は、必要に応じて行う。
(C) Configuration example 2
(Circuit configuration)
A configuration example 2 of the MRAM, which is an application example of this embodiment, will be described with reference to FIGS. 21 and 22. Here, differences from the configuration example described in Configuration Example 1 will be mainly described, and description of common components will be given as necessary.

図21に示されるMRAMは、プリチャージ回路29A〜29Cを、さらに備えることが、図18及び図19に示されるMRAMと相違している。   The MRAM shown in FIG. 21 is different from the MRAM shown in FIGS. 18 and 19 in that precharge circuits 29A to 29C are further provided.

プリチャージ回路29A〜29Cは、例えば、カラム制御回路3A,3Bや読み出し回路2A,2B内に設けられる。   The precharge circuits 29A to 29C are provided in, for example, the column control circuits 3A and 3B and the read circuits 2A and 2B.

図21に示すように、プリチャージ回路29A〜29Cは、共通配線DQ1やビット線bBL<0>,bBL<1>に接続される。プリチャージ回路29A〜29Cは、スイッチと電源Vpreから、構成される。スイッチは、例えば、Nチャネル型FETである。スイッチの電流経路の一端が、電源Vpreに接続され、スイッチの電流経路の他端がビット線bBL<0>,bBL<1>又は共通配線DQ1に接続される。スイッチのゲートには、プリチャージ駆動信号PREが入力される。この駆動信号PREによって、プリチャージ回路29A〜29C内のスイッチの動作(オン/オフ)が制御され、配線に対するプリチャージが制御される。   As shown in FIG. 21, the precharge circuits 29A to 29C are connected to the common wiring DQ1 and the bit lines bBL <0> and bBL <1>. The precharge circuits 29A to 29C are composed of a switch and a power supply Vpre. The switch is, for example, an N-channel FET. One end of the switch current path is connected to the power supply Vpre, and the other end of the switch current path is connected to the bit lines bBL <0>, bBL <1> or the common line DQ1. A precharge drive signal PRE is input to the gate of the switch. By this drive signal PRE, the operation (on / off) of the switches in the precharge circuits 29A to 29C is controlled, and the precharge for the wiring is controlled.

プリチャージに用いる電位(以下、プリチャージ電位とよぶ)Vpreの大きさは、読み出し電流IREAD及びスイッチ26に対する供給電位によってビット線/共通配線に印加される電位と、ほぼ同じ大きさ(例えば、電位Vdd)に設定される。 The potential Vpre used for precharging (hereinafter referred to as precharge potential) Vpre is approximately the same as the potential applied to the bit line / common line by the read current I READ and the supply potential to the switch 26 (for example, Potential Vdd).

読み出し動作を実行する際、プリチャージ回路29A〜29Cは、読み出し電流IREADをMTJ素子に供給する前に、共通配線DQ1やビット線bBL<0>,bBL<1>に、プリチャージ電位Vpreをあらかじめ印加する。尚、読み出し動作時において、プリチャージされるビット線は、高電位に設定されるビット線及び共通配線であって、低電位(Vss)に設定されるビット線はプリチャージされない。また、非選択ビット線は、プリチャージせずともよい。 When performing a read operation, the precharge circuit 29A~29C, prior to feeding the read current I READ to the MTJ element, the common wiring DQ1 and the bit line bBL <0>, the bBL <1>, the precharge potential Vpre Apply in advance. In the read operation, the precharged bit line is a bit line set to a high potential and a common wiring, and the bit line set to a low potential (Vss) is not precharged. Further, the non-selected bit line may not be precharged.

図22は、図21に示されるMRAMの読み出し動作を示すタイミングチャートである。
図22に示すように、本構成例2においては、はじめに、プリチャージ駆動信号PREの信号レベルが電位Vssから電位Vddにされ、プリチャージ回路29A〜29Cが駆動する。これによって、ビット線及び共通配線に、プリチャージ電位Vpreが印加される。
FIG. 22 is a timing chart showing a read operation of the MRAM shown in FIG.
As shown in FIG. 22, in the second configuration example, first, the signal level of the precharge drive signal PRE is changed from the potential Vss to the potential Vdd, and the precharge circuits 29A to 29C are driven. As a result, the precharge potential Vpre is applied to the bit line and the common wiring.

そして、所定の期間が経過した後、プリチャージ駆動信号PREの信号レベルが、電位Vddから電位Vssにされ、プリチャージ回路29A〜29C内のスイッチがオフする。これによって、プリチャージ回路29A〜29Cが、各配線から電気的に分離され、各配線のプリチャージが終了する。   After a predetermined period, the signal level of the precharge drive signal PRE is changed from the potential Vdd to the potential Vss, and the switches in the precharge circuits 29A to 29C are turned off. As a result, the precharge circuits 29A to 29C are electrically separated from each wiring, and the precharging of each wiring is completed.

プリチャージ駆動信号PREの信号レベルが電位Vssにされてから所定の期間T0が経過した後、選択ワード線WL<1>に電位Vddが供給され、カラム制御信号CS<0>の信号レベルが、電位Vddにされる。これによって、選択ワード線WL<1>及び選択ビット線BL<0>,bBL<0>が活性化される。これ以降の動作は、図20に示される動作と同様である。   After a predetermined period T0 has elapsed since the signal level of the precharge drive signal PRE is set to the potential Vss, the potential Vdd is supplied to the selected word line WL <1>, and the signal level of the column control signal CS <0> is The potential is set to Vdd. As a result, the selected word line WL <1> and the selected bit lines BL <0>, bBL <0> are activated. The subsequent operation is the same as the operation shown in FIG.

このように、プリチャージ回路29A〜29Cは、選択ワード線WL<1>や選択ビット線BL<0>,BL<1>が活性化される前に、ビット線及び共通配線に対してプリチャージ電位Vpreを供給し、各配線をプリチャージする。   As described above, the precharge circuits 29A to 29C precharge the bit line and the common line before the selected word line WL <1> and the selected bit lines BL <0> and BL <1> are activated. A potential Vpre is supplied to precharge each wiring.

図18及び図19に示すMRAMにおいては、ビット線や共通配線は、読み出し電流IREAD及びスイッチ26の供給電位によって、充電される。この場合では、配線の充電の開始と読み出し電流の供給の開始が実質的に同時に実行されるので、読み出し電流駆動信号bRB(スイッチ25A)の応答速度やビット線/共通配線の配線容量に起因して、読み出し電流IREADの電流値が所定の値に達するまでの時間が長くなる。すなわち、図1の(b)に示される読み出し電流の立ち上がり期間t〜tが長くなり、読み出し電流IREADのパルス幅Tが大きくなる。 In the MRAM shown in FIGS. 18 and 19, the bit line and the common wiring are charged by the read current IREAD and the supply potential of the switch 26. In this case, since the start of the charging of the wiring and the start of the supply of the read current are performed substantially simultaneously, it is caused by the response speed of the read current drive signal bRB (switch 25A) and the wiring capacity of the bit line / common wiring. Thus, the time until the current value of the read current I READ reaches a predetermined value becomes longer. That is, the rising time t 1 ~t 2 read current is increased as shown in FIG. 1 (b), the pulse width T P of the read current I READ is increased.

一方、図21に示すように、プリチャージ回路29A〜29Cがビット線及び共通配線をプリチャージすることによって、読み出し電流IREADの立ち上がり時間t〜tにおいて、ビット線や共通配線の寄生容量に充電される読み出し電流の電荷量が小さくなる。その結果として、配線遅延の影響を緩和でき、より短いパルス幅Tの読み出し電流IREADを用いて、読み出し動作を実行できる。
図23は、ビット線の配線容量が200fF、MTJ素子1と選択トランジスタTrとの抵抗値の合計が15kΩに設定された場合における読み出し信号の時間変化のシミュレーション結果を示している。図23の横軸は時間(単位:nsec)を示し、図23の縦軸は読み出し信号に対応する電圧(単位:a.u.)を示している。図23に示すように、プリチャージを行わなかった場合においては、読み出し信号が立ち上がって飽和するまでに、7nsec程度を要している。一方、本例のように、各配線のプリチャージが実行された場合には、読み出し信号が、2nsec程度で所定のレベルに達している。
On the other hand, as shown in FIG. 21, when the precharge circuits 29A to 29C precharge the bit lines and the common wiring, the parasitic capacitances of the bit lines and the common wiring at the rising time t 1 to t 2 of the read current I READ. The amount of charge of the read current charged to becomes smaller. As a result, it is possible to mitigate the effects of wiring delay, using the read current I READ shorter pulse width T P, the read operation can be performed.
FIG. 23 shows a simulation result of the time change of the read signal when the wiring capacitance of the bit line is 200 fF and the total resistance value of the MTJ element 1 and the selection transistor Tr is set to 15 kΩ. 23 represents time (unit: nsec), and the vertical axis of FIG. 23 represents voltage (unit: au) corresponding to the read signal. As shown in FIG. 23, when precharge is not performed, it takes about 7 nsec until the read signal rises and becomes saturated. On the other hand, when the precharge of each wiring is executed as in this example, the read signal reaches a predetermined level in about 2 nsec.

このように、配線を充電する時間が短くなり、選択セル内のMTJ素子に記憶されたデータを、高速に読み出すことができる。また、配線容量の影響を低減されるので、読み出し電流のパルス幅Tをより短くできる。さらに、配線に起因するパルス幅Tの変動が小さくなるので、MRAMの動作が安定化される。 In this way, the time for charging the wiring is shortened, and the data stored in the MTJ element in the selected cell can be read at high speed. Further, since the lower the influence of the wiring capacity can be shorter pulse width T P of the read current. Further, the fluctuation of the pulse width T P due to wiring is reduced, MRAM operation is stabilized.

したがって、図21に示される本構成例2のMRAMによれば、読み出しディスターブを低減できると共に、プリチャージ回路29A〜20Cをさらに備えることによって、読み出し動作の高速化を図ることができる。   Therefore, according to the MRAM of Configuration Example 2 shown in FIG. 21, the read disturb can be reduced and the precharge circuits 29A to 20C can be further provided to speed up the read operation.

(d) 読み出す電流に対するメモリセル数の影響
図24及び図25を用いて、ビット線に接続されたメモリセルの個数が、読み出し電流に及ぼす影響について、検討する。
(D) Effect of the number of memory cells on the read current
The influence of the number of memory cells connected to the bit line on the read current will be examined with reference to FIGS.

図15に示すMRAMのように大規模なメモリセルアレイが構成された場合、読み出し電流IREADのパルス幅Tを、どの程度まで小さくできるかは、センスアンプ21によって検知される読み出し信号の大きさや、図1の(b)に示される読み出し電流IREADの立ち上がりの遅延時間t〜tも影響する。 If large memory cell array as MRAM is configured as shown in FIG. 15, whether the pulse width T P of the read current I READ, can be reduced to what extent, Ya magnitude of the read signal detected by the sense amplifier 21 The delay time t 1 to t 2 of the rise of the read current I READ shown in FIG.

例えば、センスアンプ21は、MTJ素子1のMR比の大きさに相関して、より大きな読み出し信号を検知する。例えば、MTJ素子の抵抗値が数kΩの場合、100%以上のMR比が得られることが望ましい。   For example, the sense amplifier 21 detects a larger read signal in correlation with the magnitude of the MR ratio of the MTJ element 1. For example, when the resistance value of the MTJ element is several kΩ, it is desirable to obtain an MR ratio of 100% or more.

また、読み出し電流のパルスの立ち上がり時間t〜tは、ビット線や共通配線など、読み出し電流IREADが流れる配線の抵抗値及び容量の影響を受ける。
但し、ビット線や共通配線の抵抗値は、メモリセルMCを構成するMTJ素子1及び選択トランジスタTrの抵抗値に比べて、十分に小さい。よって、ここでは、読み出し電流IREADが流れる配線経路において、MTJ素子1と選択トランジスタの抵抗値を考慮し、配線の抵抗値は実質的に0として、検討する。
Further, the rise time t 1 to t 2 of the read current pulse is affected by the resistance value and capacitance of the wiring through which the read current I READ flows, such as the bit line and the common wiring.
However, the resistance values of the bit lines and the common wiring are sufficiently smaller than the resistance values of the MTJ element 1 and the selection transistor Tr constituting the memory cell MC. Therefore, here, in the wiring path through which the read current I READ flows, the resistance values of the MTJ element 1 and the selection transistor are considered, and the resistance value of the wiring is considered to be substantially zero.

図24は、MTJ素子1と選択トランジスタTrの抵抗値の合計が15kΩの場合において、読み出し電流IREADによって生じる電圧(読み出し信号)の経時変化のシミュレーション結果を、示している。図24の横軸は、時間(単位:nsec)を示し、図24の縦軸は、電圧(単位:a.u.)を示している。図24に示されるシミュレーションにおいて、ビット線BLの配線容量は、20fF、50fF、100fF、200fF及び500fFにそれぞれ設定されている。尚、図24においては、読み出し電流駆動信号bRBの信号の立ち上がり時間を1nsecに設定している。 FIG. 24 shows the simulation result of the change with time of the voltage (read signal) generated by the read current I READ when the total resistance value of the MTJ element 1 and the selection transistor Tr is 15 kΩ. 24 represents time (unit: nsec), and the vertical axis in FIG. 24 represents voltage (unit: au). In the simulation shown in FIG. 24, the wiring capacitance of the bit line BL is set to 20 fF, 50 fF, 100 fF, 200 fF, and 500 fF, respectively. In FIG. 24, the rise time of the read current drive signal bRB is set to 1 nsec.

図24に示されるように、配線の容量が大きくなると、電圧(読み出し電流)の立ち上がり時間が長くなる。これは、ビット線などの配線容量によって、データの読み出しが可能な最小なパルス幅が規定されることを意味する。   As shown in FIG. 24, as the wiring capacitance increases, the rise time of the voltage (readout current) becomes longer. This means that the minimum pulse width capable of reading data is defined by the wiring capacitance such as a bit line.

配線容量は、配線の長さや幅、隣接する配線間の間隔などに依存する。例えば、配線の幅が100nm、隣接する配線間のスペースが100nm、酸化シリコンを用いた層間絶縁膜の厚さを2000nmと設定した場合、1μmの配線長に対する配線容量は、約0.2fFになる。   The wiring capacity depends on the length and width of the wiring, the interval between adjacent wirings, and the like. For example, when the wiring width is set to 100 nm, the space between adjacent wirings is set to 100 nm, and the thickness of the interlayer insulating film using silicon oxide is set to 2000 nm, the wiring capacitance for a wiring length of 1 μm is about 0.2 fF. .

図25は、1本のビット線に接続されるメモリセルの個数と読み出し電流IREADの最小パルス幅との関係を示している。図25の横軸は、1本のビット線に接続されるメモリセルの個数を示し、図25の縦軸は、読み出し電流の最小パルス幅を示している。図25においては、1つのメモリセル(図16参照)のビット線の延在方向のサイズを、200nmと設定して、検証している。ここでは、図23において、あるパルス幅の範囲内で、特性線がカーブして飽和していれば、そのパルス幅を有する読み出し電流を用いて、正常にデータの読み出しが可能であるとした。 FIG. 25 shows the relationship between the number of memory cells connected to one bit line and the minimum pulse width of the read current I READ . The horizontal axis in FIG. 25 indicates the number of memory cells connected to one bit line, and the vertical axis in FIG. 25 indicates the minimum pulse width of the read current. In FIG. 25, verification is performed by setting the size of one memory cell (see FIG. 16) in the extending direction of the bit line to 200 nm. Here, in FIG. 23, if the characteristic line is curved and saturated within a certain pulse width, data can be normally read using a read current having the pulse width.

読み出し電流のパルス幅Tは、ビット線に接続されたメモリセルの個数に応じて、図25中の実線が示す値以下にする必要がある。
図25に示される傾向から、1本のビット線BLに接続されるメモリセル数が、5000個以下であれば、読み出し電流IREADのパルス幅TPを、8nsec以下にできる。
Pulse width T P of the read current, depending on the number of memory cells connected to the bit line, it is necessary to be less than or equal to the value indicated by the solid line in FIG. 25.
From the tendency shown in FIG. 25, if the number of memory cells connected to one bit line BL is 5000 or less, the pulse width TP of the read current I READ can be 8 nsec or less.

よって、メモリセルアレイの規模が大きいMRAMを構成した場合において、メモリセルの個数を考慮することで、読み出し電流のパルス幅Tを設定することができる。
したがって、本発明の実施形態によれば、読み出しディスターブを低減した磁気抵抗効果メモリを提供できる。
Therefore, in the case where the MRAM larger scale of the memory cell array, to consider the number of memory cells, it is possible to set the pulse width T P of the read current.
Therefore, according to the embodiment of the present invention, a magnetoresistive effect memory with reduced read disturb can be provided.

4.その他
本発明の例は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
4). Other
The example of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied by modifying each component without departing from the gist thereof. Various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the above-described embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.

1:MTJ素子(磁気抵抗効果素子)、2,2A,2B:読み出し回路、Tr:選択トランジスタ、BL,bBL:ビット線、WL:ワード線、30:スイッチ(カラム制御スイッチ)。   1: MTJ element (magnetoresistance effect element), 2, 2A, 2B: read circuit, Tr: selection transistor, BL, bBL: bit line, WL: word line, 30: switch (column control switch).

Claims (4)

磁化の方向が不変な第1の磁性層から形成される参照層と、磁化の方向が可変な第2の磁性層から形成される記憶層と、前記参照層と前記記憶層との間に設けられたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子にパルス形状の読み出し電流を流して、前記磁気抵抗効果素子に記憶されたデータを判別する読み出し回路と、
を具備し、
前記記憶層の前記磁化は、前記第2の磁性層内の複数の磁性粒がそれぞれ有するスピンによって形成され、
前記読み出し電流のパルス幅は、前記記憶層の前記磁化を形成する前記複数のスピンのそれぞれがランダムな位相で歳差運動を行っている状態から前記複数のスピンが共動してコヒーレントに歳差運動するまでの期間より短いことを特徴とする磁気抵抗効果メモリ。
Provided between the reference layer and the storage layer, the reference layer formed from the first magnetic layer whose magnetization direction is invariable, the storage layer formed from the second magnetic layer whose magnetization direction is variable A magnetoresistive element having a tunnel barrier layer formed;
A read circuit that applies a pulse-shaped read current to the magnetoresistive element to determine data stored in the magnetoresistive element;
Comprising
The magnetization of the storage layer is formed by spins respectively possessed by a plurality of magnetic grains in the second magnetic layer,
Pulse width of the read current precession coherently plurality of spin from a state in which each of the plurality of spins are carried out precess in a random phase forming the magnetization of the storage layer cooperates A magnetoresistive effect memory characterized by being shorter than a period until exercise.
前記読み出し電流の電流密度が、10nsecのパルス幅を有する書き込み電流を用いて前記磁気抵抗効果素子にデータを書き込んだ時に前記磁気抵抗効果素子の磁化反転確率が0.5以下になる電流密度の0.9倍以下である場合、前記読み出し電流のパルス幅は、8nsec以下であることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗効果メモリ。   The read current has a current density of 0 when the magnetization reversal probability of the magnetoresistive element is 0.5 or less when data is written to the magnetoresistive element using a write current having a pulse width of 10 nsec. 2. The magnetoresistive effect memory according to claim 1, wherein when it is 9 times or less, a pulse width of the read current is 8 nsec or less. 前記読み出し回路は、
前記磁気抵抗効果素子に記憶されたデータに対応する読み出し信号を増幅するセンスアンプと、
前記磁気抵抗効果素子と前記読み出し回路とを接続する配線に出力された前記読み出し信号、及び、前記センスアンプによって増幅された前記読み出し信号を保持するラッチ回路と、を含むことを特徴とする請求項1又は2のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果メモリ。
The readout circuit includes
A sense amplifier that amplifies a read signal corresponding to data stored in the magnetoresistive element;
The read signal is output to the wiring that connects the read circuit and the magneto-resistance effect element, and, claims, characterized in that it comprises a latch circuit for holding the read signal amplified by the sense amplifier 3. The magnetoresistive effect memory according to any one of 1 and 2.
前記磁気抵抗効果素子に前記読み出し電流を供給する前に、前記磁気抵抗効果素子と前記読み出し回路とを接続する配線を充電するプリチャージ回路を、含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果メモリ。   4. A precharge circuit for charging a wiring connecting the magnetoresistive effect element and the read circuit before supplying the read current to the magnetoresistive effect element. The magnetoresistive effect memory according to claim 1.
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