[發明專利]可進行穩定的數據讀出和數據寫入的薄膜磁性體存儲器

有效

• 申請號: 02105717.6
• 申請日: 2002-04-15
• 公開（公告）號: CN1383155A
• 公開（公告）日: 2002-12-04
• 發明（設計）人: 日高秀人
• 申請（專利權）人: 三菱電機株式會社
• 主分類號: G11C11/15
• 分類號: G11C11/15;H01L43/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 楊凱,梁永

(一)技術領域

本發明涉及薄膜磁性體存儲器，更特定地說，涉及具備具有磁隧道結(MTJ)的存儲單元的隨機存取存儲器。

(二)背景技術

作為能以低功耗來存儲非易失性的數據的存儲器，MRAM(磁隨機存取存儲器)器件正在引起人們的注意。MRAM器件是使用在半導體集成電路上形成的多個薄膜磁性體進行非易失性的數據存儲、能對于薄膜磁性體的每一個進行隨機存取的存儲器。

特別是，近年來已發表了通過將利用了磁隧道結(MTJ)的薄膜磁性體作為存儲單元來使用、MRAM器件的性能得到了飛躍的進步的情況。關于具備有磁隧道結的存儲單元的MRAM器件，在“A?10ns?Read?andWrite?Non-Volatile?Memory?Array?Using?a?Magnetic?TunnelJunction?and?FET?Switch?in?each?Cell(在每個單元中使用磁隧道結和FET開關的10ns讀寫非易失性存儲器陣列)”，ISSCC?Digest?ofTechnical?Papers，TA7.2，Feb.2000.和“Nonvolatile?RAM?based?onMagnetic?Tunnel?Junction?Element(基于磁隧道結元件的非易失性RAM)”，ISSCC?Digest?of?Technical?Papers，TA?7.3，Feb.2000.等的技術文獻中已公開了。

圖66是示出具有磁隧道結的存儲單元(以下，也簡稱為MTJ存儲單元)的結構的概略圖。

參照圖66，MTJ存儲單元具備其電阻值隨存儲數據的數據電平而變化的隧道磁阻元件TMR和存取晶體管ATR。存取晶體管ATR由場效應晶體管形成，被結合在隧道磁阻元件TMR與接地電壓Vss之間。

對于MTJ存儲單元來說，配置指示數據寫入用的寫字線WWL、指示數據讀出用的讀字線RWL和在數據讀出時和數據寫入時傳遞與存儲數據的電平對應的電信號用的數據線、即位線BL。

圖67是說明來自MTJ存儲單元的數據讀出工作的概念圖。

參照圖67，隧道磁阻元件TMR具有有恒定方向的固定磁場的磁性體層(以下，也簡稱為固定磁層」)FL和有自由磁場的磁性體層(以下，也簡稱為自由磁層)VL。在固定磁層FL與自由磁層VL之間配置用絕緣體膜形成的隧道阻擋層TB。在自由磁層VL中，根據存儲數據的電平，以非易失性的方式寫入與固定磁層FL相同方向的磁場和與固定磁層FL不同方向的磁場的某一方。

在數據讀出時，存取晶體管ATR根據讀字線RWL的激活而被接通。由此，在位線BL～隧道磁阻元件TMR～存取晶體管ATR～接地電壓Vss的電流路徑中，從圖中未示出的控制電路流過作為恒定電流來供給的讀出電流Is。

隧道磁阻元件TMR的電阻值隨著固定磁層FL與自由磁層VL之間的磁場方向的相對關系而變化。具體地說，在固定磁層FL的磁場方向與寫入到自由磁層VL中的磁場方向為相同的情況下，與兩者的磁場方向不同的情況相比，隧道磁阻元件TMR的電阻值變小。以下，在本說明書中，假定分別用Rh和R1來表示分別與存儲數據的“1”和“0”對應的隧道磁阻元件的電阻值。其中，假定Rh＞R1。

這樣，隧道磁阻元件TMR的電阻值隨從外部施加的磁場而變化。因而，根據隧道磁阻元件TMR所具有的電阻值的變化特性，可進行數據存儲。

由讀出電流Is在隧道磁阻元件TMR中產生的電壓變化隨在自由磁層VL中存儲的磁場方向的不同而不同。由此，如果在一度將位線BL預充電到高電壓的狀態后開始供給讀出電流Is，則通過對位線BL的電壓電平變化的監視，可讀出MTJ存儲單元的存儲數據的電平。

圖68是說明對于MTJ存儲單元的數據寫入工作的概念圖。

參照圖68，在數據寫入時，讀字線RWL被非激活，存取晶體管ATR被關斷。在該狀態下，對自由磁層VL寫入磁場用的數據寫入電流分別流過寫字線WWL和位線BL。自由磁層VL的磁場方向由分別流過寫字線WWL和位線BL的數據寫入電流的方向的組合來決定。

圖69是說明數據寫入時的數據寫入電流的方向與磁場方向的關系的概念圖。

參照圖69，假定用橫軸示出的磁場Hx表示由流過位線BL的數據寫入電流產生的磁場H(BL)的方向。另一方面，在縱軸上示出的磁場Hy表示由流過寫字線WWL的數據寫入電流產生的磁場H(WWL)的方向。