DE10239596A1

DE10239596A1 - Magnetisches Dünnfilmspeicherbauelement

Info

Publication number: DE10239596A1
Application number: DE10239596A
Authority: DE
Inventors: Hideto Hidaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2003-05-28
Also published as: US20060039194A1; US20050094449A1; US6970378B2; CN1419241A; JP2003151260A; US7206222B2; KR20030040027A; KR100520865B1; US6903963B2; TWI224335B; US20050083770A1; US20030090933A1; CN1269133C

Abstract

Ein Tunnelmagnetwiderstandselement (TMR), das eine MTJ-Speicherzelle bildet, weist eine längliche Form mit einem Aspektverhältnis größer als 1 zum Stabilisieren der Magnetisierungseigenschaften auf. Bitleitungen (BL) und Schreibwortleitungen (WWL) zum Tragen von Datenschreibströmen (Iw, Ip) sind entlang der kurzen (b) und der langen (a) Seite des Tunnelmagnetwiderstandselementes (TMR) angeordnet. Der Datenschreibstrom (Iw), der durch die Bitleitung (BL) fließt, die leicht eine Verbindungsbreite aufweisen kann, ist so ausgelegt, daß er größer als der Datenschreibstrom (Ip) ist, der durch die Schreibwortleitung (WWL) fließt. Zum Beispiel ist ein Abstand zwischen der Schreibwortleitung (WWL) und dem Tunnelmagnetwiderstandselement (TMR) kleiner als sein Abstand zwischen der Bitleitung (BL) und dem Tunnelmagnetwiderstandselement (TMR).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Dünnfilmspeicherbauelement und insbesondere auf einen Direktzugriffsspeicher, der mit Speicherzellen mit MTJs (magnetische Tunnelübergängen) versehen ist.
Die Aufmerksamkeit wird auf ein MRAM-(magnetischer Direktzugriffsspeicher)Bauelement als ein Speicherbauelement gerichtet, das nichtflüchtig Daten mit einem niedrigen Stromverbrauch speichern kann. Das MRAM-Bauelement ist ein Speicherbauelement, bei dem eine Mehrzahl von magnetischen Dünnfilmbauelementen in einer integrierten Halbleiterschaltung zum nichtflüchtigen Speichern von Daten gebildet sind, und der direkte Zugriff zu jedem magnetischen Dünnfilmbauelement ist erlaubt.

Insbesondere ist in den letzten Jahren angekündigt worden, daß die Leistung des MRAN-Bauelementes deutlich verbessert werden kann, in dem magnetische Dünnfilmteile, die MTJs (magnetische Tunnelübergänge) benutzen, als Speicherzellen verwendet werden. Das MRAM-Bauelement mit Speicherzellen mit magnetischen Tunnelübergängen ist in technischen Veröffentlichungen wie "A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in Each Cell", ISSCC Digest of Technical Papers, TA7.2, Feb. 2000; "Nonvolatile RAM based on Magnetic Tunnel Junction Elements", ISSCC Digest of Technical Papiers, TA7.3, Feb. 2000; und "A 256kb 3.0V 1T1MTJ Nonvolatile Magnetoresistive RAM", ISSCC Digest of Technical Papers, TA7.6, Feb. 2001 offenbart.

Fig. 26 zeigt grundsätzlich einen Aufbau einer Speicherzelle, die einen magnetischen Tunnelübergang aufweist, und die hier im folgenden einfach als "MTJ-Speicherzelle" bezeichnet wird.

Es wird Bezug genommen auf Fig. 26, eine MTJ-Speicherzelle enthält ein Tunnelmagnetwiderstandselement TMR mit einem elektrischen Widerstand, der variabel gemäß einem Niveau von Speicherdaten ist, und ein Zugriffselement ATR zum Bilden eines Pfades eines Lesestromes Is, der durch das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR bei einer Datenlesetätigkeit fließt. Das Zugriffselement ATR ist typischerweise aus einem Feldeffekttransistor gebildet und kann daher als ein "Zugriffstransistor ATR" bezeichnet werden. Der Zugriffstransistor ATR ist zwischen das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR und einer festen Spannung (Massespannung Vss) geschaltet.

Für die MTJ-Speicherzelle enthält der Aufbau eine Schreibwortleitung WWL zum Befehlen des Schreibens, eine Lesewortleitung RWL zum Ausführen von Datenlesen und eine Bitleitung BL, die eine Datenleitung zum Übertragen eines elektrischen Signales gemäß dem Datenpegel des Speicherdatenwertes ist.

Fig. 27 zeigt grundsätzlich einen Betrieb des Datenlesens aus der MTJ-Speicherzelle.

Es wird Bezug genommen auf Fig. 27, das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR weist eine Ferromagnetschicht, die eine feste und gleichförmige Magnetisierungsrichtung aufweist und einfach als eine "feste Magnetschicht" hier im folgenden bezeichnet wird, und eine Ferromagnetschicht VL, die in eine Richtung in Abhängigkeit von einem extern angelegten Magnetfeld magnetisiert ist und einfach als eine "freie Magnetschicht" hier im folgenden bezeichnet wird, auf. Eine Tunnelbarriere (Tunnelfilm) TB, die aus einem Isolatorfilm gebildet ist, ist zwischen der festen magnetischen Schicht FL und der freien magnetischen Schicht VL vorgesehen. Die freie Magnetschicht VL wird in die gleiche Richtung wie die feste Magnetschicht FL oder in die entgegengesetzte Richtung gemäß dem Niveau des Speicherdatenwertes, der zu schreiben ist, magnetisiert. Die feste Magnetschicht FL, die Tunnelbarriere TB und die freie Magnetschicht VL bilden einen Magnettunnelübergang.

Bei der Datenlesetätigkeit wird der Zugriffstransistor ATR als Reaktion auf die Aktivierung der Lesewortleitung RWL eingeschaltet. Dadurch kann ein Lesestrom Is durch einen Strompfad fließen, der aus der Bitleitung BL, dem Tunnelmagnetwiderstandselement TMR, dem Zugriffstransistor ATR und der Massespannung Vss gebildet ist.

Das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR weist einen elektrischen Widerstand auf, der in Abhängigkeit einer Korrelation der Magnetisierungsrichtung zwischen der festen magnetischen Schicht FL und der freien magnetischen Schicht VL variabel ist. Genauer, wenn die feste Magnetschicht FL und die freie Magnetschicht VL in der gleichen (parallelen) Richtung magnetisiert sind, ist der elektrische Widerstand des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR kleiner als in dem Fall, in dem diese Schichten FL und VL in entgegengesetzte Richtungen (antiparallel) magnetisiert sind.

Folglich ändert sich durch Magnetisieren der freien magnetischen Schicht FL in eine Richtung in Abhängigkeit des Speicherdatenwertes die Spannungsänderung, die in dem Tunnelmagnetwiderstandselement TMR durch den Lesestrom Is verursacht wird, in Abhängigkeit von dem Speicherdatenniveau. Wenn zum Beispiel der Lesestrom Is durch das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR fließt, nachdem die Bitleitung BL auf eine vorbestimmte Spannung geladen ist, kann der Speicherdatenwert der MTJ-Speicherzelle durch Erfassen der Spannung auf der Bitleitung BL ausgelesen werden.

Fig. 28 zeigt grundsätzlich einen Betrieb des Datenschreibens in die MTJ-Speicherzelle.

Es wird Bezug genommen auf Fig. 28, eine Lesewortleitung RWL ist inaktiv, und der Zugriffstransistor ATR ist bei der Datenschreibtätigkeit ausgeschaltet. In diesem Zustand werden die Datenschreibströme zum Magnetisieren der freien magnetischen Schicht VL in der Richtung in der Abhängigkeit von dem Niveau des Schreibdatenwertes zu der Schreibwortleitung WWL bzw. der Bitleitung BL geliefert. Die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht VL hängt von den entsprechenden Datenschreibströmen ab, die durch die Schreibwortleitung WWL und die Bitleitung BL fließen.

Fig. 29 zeigt grundsätzlich eine Beziehung zwischen dem Datenschreibstrom und der Magnetisierungsrichtung des Tunnelmagnetwiderstandselementes bei der Datenschreibtätigkeit für die MTJ-Speicherzelle.

Es wird Bezug genommen auf Fig. 29, eine Abszisse H(EA) gibt ein Magnetfeld, das in einer "leichten Achse" ("weiche") (EA) der freien magnetischen Schicht VL des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR angelegt ist. Eine Ordinate H(HA) bezeichnet ein Magnetfeld, das in einer "harten Achse" (HA) auf die freie Magnetschicht VL wirkt. Die Magnetfelder H(EA) und H(HA) entsprechen den zwei Magnetfeldern, die durch Ströme erzeugt werden, die durch die Bitleitung BL bzw. die Schreibwortleitung WWL fließen.

Bei der MTJ-Speicherzelle ist die feste Magnetisierungsrichtung der festen magnetischen Schicht FL entlang der leichten Achse der freien Magnetschicht VL, und die freie Magnetschicht VL wird entlang der leichten Achsenrichtung magnetisiert, und insbesondere in der gleichen parallelen Richtung, die die gleiche Richtung ist wie die der festen magnetischen Schicht FL, oder in der antiparallelen Richtung, die entgegengesetzt zu der obigen Richtung ist, in Abhängigkeit des Pegels ("1" oder "0") des Speicherdatenwertes. In der folgenden Beschreibung werden die elektrischen Widerstände des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR, die den zwei Magnetisierungsrichtungen der freien magnetischen Schicht VL entsprechen, durch R1 bzw. R0 (R1>R0) bezeichnet. Die MTJ-Speicherzelle kann selektiv die Daten ("1" und "0") von einem Bit entsprechend den zwei Magnetisierungsrichtungen der freien Magnetschicht VL speichern.

Die Magnetisierungsrichtung der freien Magnetschicht VL kann nur neu geschrieben werden, wenn eine Summe der angelegten Magnetfelder H(EA) und H(HA) außerhalb eines Bereiches der charakteristischen Sternlinie fällt, die in Fig. 29 gezeigt ist. Daher ändert sich die Magnetisierungsrichtung der freien Magnetschicht VL nicht, wenn die daran angelegten magnetischen Datenschreibfelderintensitäten entsprechend einem Bereich innerhalb der charakteristischen Sternlinie aufweisen.

Wie aus der charakteristischen Sternlinie zu sehen ist, kann die Magnetisierungsschwelle, die zum Ändern der Magnetisierungsrichtung entlang der leichten Magnetisierungsachse benötigt wird, durch Anlegen des Magnetfeldes in der Richtung der harten Achse der freien Magnetschicht VL gesenkt werden.

Wenn der Betriebspunkt bei der Datenschreibtätigkeit zum Beispiel wie in Fig. 29 gezeigt ausgelegt ist, ist das Datenschreibmagnetfeld in der MTJ-Zelle, die als ein Datenschreibziel ausgewählt ist, derart ausgelegt, daß das Datenschreibmagnetfeld in der Richtung der leichten Achse eine Intensität H_WR aufweist. Somit ist der Datenschreibstrom, der durch die Bitleitung BL oder die Schreibwortleitung WWL fließt, so ausgelegt, daß er einen Wert annimmt, der das Datenschreibmagnetfeld H_WR vorsieht. Allgemein wird das Datenschreibmagnetfeld H_WR durch eine Summe eines Schaltmagnetfeldes H_SW, das zum Schalten der Magnetisierungsrichtung benötigt wird, und einen Rand ΔH dargestellt. Somit wird es durch einen Ausdruck von H_WR = H_SW+ΔH dargestellt.

Zum Neuschreiben des Speicherdatenwertes der MTJ- Speicherzelle, d. h. der Magnetisierungsrichtung des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR, ist es notwendig, daß die Datenschreibströme auf einem vorbestimmten Niveau oder höher durch die Schreibwortleitung WWL und die Bitleitung BL fließen. Dadurch wird die freie Magnetschicht VL in dem Tunnelmagnetwiderstandselement TMR in der gleichen parallelen Richtung wie die feste Magnetschicht FL oder in der antiparallelen Richtung gemäß der Richtung des Datenschreibmagnetfeldes entlang der leichten Achse (EA) magnetisiert. Die Magnetisierungsrichtung, die einmal in das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR geschrieben worden ist und somit der Datenspeicherwert der MTJ-Zelle wird nichtflüchtig gehalten, bis das nächste Datenschreiben ausgeführt wird.

Wie oben beschrieben wurde, ist der elektrische Widerstand des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR gemäß der Magnetisierungsrichtung variabel, die durch das daran angelegte Datenschreibmagnetfeld überschreibbar ist. Daher kann die nichtflüchtige Datenspeicherung durch Herstellen einer Beziehung zwischen zwei Magnetisierungsrichtungen der freien Magnetschicht VL in dem Tunnelmagnetwiderstandselement TMR und den Niveaus ("1" und "0") des Speicherdatenwertes ausgeführt werden.

Die oben beschriebenen Druckschriften offenbaren Technologien zum Integrieren derartiger MTJ-Speicherzellen auf einem Halbleitersubstrat zum Vorsehen eines MRAM-Bauelementes, das ein Direktzugriffspeicher ist.

Fig. 30 zeigt im wesentlichen einen Aufbau eines Speicherfeldes, das aus MTJ-Speicherzellen gebildet ist, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind.

Es wird Bezug genommen auf Fig. 30, MTJ-Speicherzellen, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind, können ein MRAM- Bauelement hoher Dichte vorsehen. Fig. 30 zeigt die MTJ- Speicherzellen in n Zeilen und m Spalten (n, m: natürliche Zahlen) angeordnet. Für die (nxm) in Zeilen und Spalten angeordneten MTJ-Speicherzellen ist das Bauelement mit n Schreibwortleitungen WWL1-WWLn und n Lesewortleitungen RWL1-RWLn als auch m Bitleitungen BL1-BLm versehen. Wenn der Datenschreibstrom bei der Datenschreibtätigkeit fließt, sind die Schreibwortleitungen WWL1-WWLn in der Zeilenrichtung und die Bitleitungen BL1-BLm in der Spaltenrichtung angeordnet.

Es ist jedoch zum Stabilisieren der Magneteigenschaften wünschenswert, daß das als die MTJ-Speicherzelle benutzte Tunnelmagnetwiderstandselement eine längliche Form mit einem Aspektverhältnis (Länge-Breite-Verhältnis) größer als 1 aufweist. Folglich müssen die Form des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR und die Anordnung der Verbindungsgruppen (Schreibwortleitungen und Bitleitungen) zum Durchlassen der Datenschreibströme aneinander angepaßt werden. Sonst verursacht die Stromdichte dieser Verbindungsgruppen einen Faktor wie Elektromigration, was die Betriebszuverlässigkeit des MRAM-Bauelementes beeinträchtigt.

Bei der Tätigkeit des Schreibens von Daten in die MTJ- Speicherzelle und somit des Überschreibens der Magnetisierungsrichtung des Tunnelmagnetwiderstandselementes werden die Schreibmagnetfelder in den zwei Richtungen angelegt, wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 29 beschrieben worden ist. Wenn das Datenschreibmagnetfeld sich nicht mit der Zeit geeignet ändert, kann daher die Magnetisierungstätigkeit unstabil werden, und eine Fehlfunktion kann auftreten.

In einem sogenannten "Seitenmodusbetrieb" (page-Modus), der zum Erhöhen einer Betriebsgeschwindigkeit eines dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) ausgeführt wird, wird auf Spaltenadressen kontinuierlich und direkt ohne Ändern der Zeilenauswahl zugegriffen. Zum Anlegen eines ähnlichen Seitenmodusbetriebes auf den MRAM, ist es daher notwendig, das Bauelement in Hinblick auf die Datenschreibeigenschaften der MTJ- Speicherzellen auszulegen, die bereits beschrieben wurde.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine magnetisches Dünnfilmspeicherbauelement vorzusehen, das zu einer Form einer MTJ-Speicherzelle mit stabilen Magnetisierungseigenschaften und stabilem Betrieb paßt und einen Aufbau eines magnetischen Dünnfilmspeicherbauelementes vorzusehen, das stabil und schnell einen Seitenmodusbetrieb durchführen kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein magnetisches Dünnfilmspeicherbauelement nach Anspruch 1.

Das magnetische Dünnfilmspeicherbauelement enthält eine Mehrzahl von Speicherzellen, von denen jeder einen magnetischen Speicherabschnitt aufweist mit einem elektrischen Widerstand, der gemäß einer Magnetisierungsrichtung variiert, die als Reaktion auf das Anlegen eines vorbestimmten Datenschreibmagnetfeldes überschreibbar ist, das durch einen ersten und einen zweiten Datenschreibstrom verursacht wird. Eine erste Datenschreibverbindung ist in einer ersten Richtung zum Durchlassen des ersten Datenschreibstromes angeordnet. Eine zweite Datenschreibverbindung ist in einer zweiten Richtung zum Durchlassen des zweiten Datenschreibstromes angeordnet. Der erste Datenschreibstrom ist größer als der zweite Datenschreibstrom. Die erste Datenschreibverbindung weist eine Schnittfläche größer als die Schnittfläche der zweiten Datenschreibverbindung auf.

Bevorzugt sind die erste und die zweite Datenschreibverbindung derart angeordnet, daß ein Abstand zwischen der ersten Datenschreibverbindung und dem Magnetspeicherabschnitt größer als ein Abstand zwischen der zweiten Datenschreibverbindung und dem Magnetspeicherabschnitt ist.

Bevorzugt weist die erste Datenschreibverbindung eine Verbindungsbreite größer als die der zweiten Datenschreibverbindung auf.

Bevorzugt weist die erste Datenschreibverbindung eine Verbindungsdicke größer als die der zweiten Datenschreibverbindung auf.

Bei dem oben beschriebenen Dünnfilmmagnetspeicherbauelement können die Datenschreibverbindungen zum Erzeugen der Datenschreibmagnetfelder so angeordnet sein, daß solch eine Situation verhindert wird, daß eine Stromdichte der einen Art von Verbindungen zunimmt zum Beeinträchtigen der Betriebszuverlässigkeit.

Bevorzugt weist jeder der Magnetspeicherabschnitte eine Form mit einem Aspektverhältnis größer als eins zwischen der langen Seite und der kurzen Seite auf. Die erste Datenschreibverbindung weist eine Verbindungsbreite in der Richtung der langen Seite auf, und die zweite Datenschreibverbindung weist eine Verbindungsbreite in der Richtung der kurzen Seite auf, die kleiner als die der ersten Datenschreibverbindung ist.

Daher kann das Bauelement den Magnetspeicherabschnitt verwenden, der eine Form aufweist, die zum Vorsehen von stabilen Magnetisierungseigenschaften geeignet ist, und weiter können die Verbindungsgruppen zum Durchlassen der Datenschreibströme wirksam ohne Senken der Betriebszuverlässigkeit und Zunahme einer Speicherfeldfläche angeordnet werden.

Bevorzugt ist die zweite Datenschreibverbindung unter Benutzung einer Metallverbindungsschicht auf einem höheren Niveau als die erste Datenschreibverbindung angeordnet.

Dadurch kann der Aufbau leicht auf ein Speicherbauelement eines logischen eingebetteten Types wie ein System-LSI (auf großer Skala integrierte Schaltung) angewendet werden.

Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Dünnfilmmagnetspeicherbauelement nach Anspruch 7.

Dieses Dünnfilmmagnetspeicherbauelement enthält eine Mehrzahl von Speicherzellen, von denen jedes einen Magnetspeicherabschnitt mit einem elektrischen Widerstand aufweist, der gemäß einer Magnetisierungsrichtung variiert, die als Reaktion auf das Anlegen eines Datenschreibmagnetfeldes überschreibbar ist.

Eine erste Datenschreibverbindung läßt einen ersten Datenschreibstrom durch, der das Datenschreibmagnetfeld entlang einer weichen (leichten) Achse erzeugt. Eine zweite Datenschreibverbindung läßt einen zweiten Datenschreibstrom durch, der das Datenschreibmagnetfeld entlang einer harten Achse erzeugt. Der erste Datenschreibstrom weist eine Anstiegszeitkonstante größer als eine Anstiegszeitkonstante des zweiten Datenschreibstromes zu Beginn einer Datenschreibtätigkeit auf, die durch Überschreiben einer Magnetisierungsrichtung des Magnetspeicherabschnittes durchgeführt wird.

Gemäß dem oben beschriebenen Dünnfilmmagnetspeicherbauelement kann ein in der Richtung der harten Achse auf die Speicherzelle angelegtes Magnetfeld schneller als ein Magnetfeld in der Richtung der weichen Achse zu dem Beginn des Datenschreibens erzeugt werden. Daher kann der Magnetspeicherabschnitt der als ein Datenschreibziel gewählten Speicherzelle stabil magnetisiert werden.

Bevorzugt endet das Liefern des zweiten Datenschreibstromes früher als die Beendigung der Lieferung des ersten Datenschreibstromes an dem Ende der Datenschreibtätigkeit.

An dem Ende der Datenschreibtätigkeit ist es daher möglich, eine Periode vorzusehen, in der das Datenschreibmagnetfeld in der Richtung der harten Achse abnimmt, während das Datenschreibmagnetfeld in der Richtung der weichen Achse auf einem vorbestimmten Niveau bleibt. Daher kann der Magnetspeicherabschnitt der als ein Datenschreibziel gewählten Speicherzelle stabiler magnetisiert werden.

Bevorzugt weist jeder der Magnetspeicherabschnitte eine Form mit einem Aspektverhältnis größer als eins zwischen einer langen Seite und einer kurzen Seite auf. Die erste Datenschreibverbindung ist entlang der kurzen Seite angeordnet, und die zweite Datenschreibverbindung ist entlang der langen Seite angeordnet.

Dadurch ist es möglich, die Form des Magnetspeicherabschnittes so auszulegen, daß stabile Magnetisierungseigenschaften vorgesehen werden und die Verbindungsgruppen zum Durchlassen des Datenschreibstromes wirksam angeordnet werden können.

Bevorzugt ist die Mehrzahl von Speicherzellen in Zeilen und Spalten angeordnet. Die ersten Datenschreibverbindungen sind für die entsprechenden Speicherzellenspalten angeordnet. Die zweiten Datenschreibverbindungen sind für die entsprechenden Speicherzellenzeilen angeordnet. Das Dünnfilmmagnetspeicherbauelement enthält weiter Spaltenauswahlleitungen, die für die entsprechenden Speicherzellenspalten angeordnet sind, und Spaltenauswahlleitungstreiberabschnitte, die für die entsprechenden Speicherzellenspalten angeordnet sind. Jeder dient zum Treiben einer entsprechenden der Spaltenauswahlleitungen von einer ersten Spannung auf eine zweite Spannung durch einen vorbestimmten Betriebsstrom in einer ausgewählten Spalte. Der vorbestimmte Betriebsstrom ist so eingestellt, daß der erste Datenschreibstrom mit der Anstiegszeitkonstante größer als die Anstiegszeitkonstante der zweiten Datenschreibstromes vorgesehen wird.

Bevorzugt enthält der Spaltenauswahlleitungstreiberabschnitt einen Treibergatterabschnitt zum Treiben der entsprechenden Spaltenauswahlleitung durch eine der ersten und der zweiten Spannung gemäß dem Resultat der Spaltenauswahl. Ein Treiberstromschaltabschnitt liefert einen ersten Strom als den vorbestimmten Betriebsstrom an den Treibergatterabschnitt bei der Datenschreibtätigkeit. Er liefert einen zweiten Strom größer als der erste Strom als den vorbestimmten Betriebsstrom an den Treibergatterabschnitt bei der Datenlesetätigkeit.

Dadurch kann die Spaltenauswahlleitung der ausgewählten Spalte rasch bei der Datenlesetätigkeit so getrieben werden, daß das Datenlesen schneller durchgeführt werden kann.

Gemäß einem noch anderen Aspekt sieht die Erfindung ein Dünnfilmmagnetspeicherbauelement zum Ausführen eines zweiten Modusbetriebes mit einem Einheitsbetriebszyklus vor, der einen Zeilenzyklus zum Empfangen einer Eingabe einer Spaltenadresse und eine Mehrzahl von folgenden Spaltenzyklen zum Empfangen einer Eingabe einer Spaltenadresse in jedem der Spaltenzyklen enthält. Eine Mehrzahl von Speicherzellen ist in Zeilen und Spalten angeordnet. Jede weist einen Magnetspeicherabschnitt mit einem elektrischen Widerstand auf, der gemäß einer Magnetisierungsrichtung variiert, die als Reaktion auf das Anlegen eines vorbestimmten Datenschreibmagnetfeldes überschreibbar ist. Das Magnetfeld wird durch einen ersten und einen zweiten Datenschreibstrom erzeugt. Eine Mehrzahl von ersten Datenschreibverbindungen ist für entsprechende Speicherzellenzeilen vorgesehen zum Durchlassen des ersten Datenschreibstromes in einer ausgewählten Zeile. Eine Mehrzahl von zweiten Datenschreibverbindungen ist für entsprechende Speicherzellenspalten vorgesehen zum Durchlassen des zweiten Datenschreibstromes in einer ausgewählten Spalte. Ein Zeilenauswahlabschnitt steuert die Lieferung des ersten Datenschreibstromes zu der Mehrzahl der Datenschreibverbindungen. Der Zeilenauswahlabschnitt stoppt zeitweilig die Lieferung des ersten Datenschreibstromes entsprechend der ausgewählten Zeile als Reaktion auf jede Beendigung des Spaltenzyklus.

Bevorzugt enthält der Zeilenauswahlabschnitt eine Verriegelungsschaltung zum Halten der Zeilenauswahlresultate entsprechend der in dem Zeilenzyklus angelegten Zeilenadresse. Eine Treibereinheit aktiviert die erste Datenschreibverbindung entsprechend der ausgewählten Zeile zum Durchlassen des ersten Datenschreibstromes gemäß den Zeilenauswahlresultaten, die von der Verriegelungsschaltung gehalten werden, und einem Steuersignal zum selektiven Befehlen der Datenschreibtätigkeit und der Datenlesetätigkeit.

Dadurch wird die Lieferung des Datenschreibstromes entsprechend der ausgewählten Zeile zeitweilig gestoppt nach jeder Beendigung des Spaltenzyklus in dem Seitenmodusbetrieb. Daher kann der Seitenmodusbetrieb stabil und rasch mit einer niedrigen Wahrscheinlichkeit des fehlerhaften Datenschreibens ausgeführt werden.

Bevorzugt erzeugt einer des ersten und des Datenschreibstromes ein Magnetfeld entlang einer weichen Achse in dem Magnetspeicherabschnitt. Der andere des ersten und des Datenschreibstromes erzeugt ein Magnetfeld entlang einer harten Achse in dem Magnetspeicherabschnitt. In jedem Spaltenzyklus einschließlich des Befehles des Datenschreibbetriebes ist eine Anstiegszeitkonstante von einem der Datenschreibströme größer als die des anderen Datenschreibstromes.

Bevorzugt weist jeder Magnetspeicherabschnitt eine Form mit einem Aspektverhältnis größer als eins zwischen einer langen Seite und einer kurzen Seite auf. Eine der ersten und der zweiten Datenschreibverbindung, die den einen der Datenschreibströme trägt, ist entlang der kurzen Seite angeordnet. Die andere der Datenschreibverbindungen, die den anderen Datenschreibstrom trägt, ist entlang der langen Seite angeordnet. Folglich kann ein in der Richtung der harten Achse der Speicherzelle angelegtes Magnetfeld schneller als ein Magnetfeld in der Richtung der weichen Achse an dem Beginn des Startenschreibens erzeugt werden. Dadurch kann der Magnetspeicherabschnitt der als ein Datenschreibziel gewählten Speicherzelle stabil in jedem Spaltenzyklus magnetisiert werden, der den Befehl des Datenschreibens enthält.

Bevorzugt erzeugt einer des ersten und des zweiten Datenschreibstromes ein Magnetfeld entlang einer weichen Achse in dem Magnetspeicherabschnitt, und der andere des ersten und des zweiten Datenschreibstromes erzeugt ein Magnetfeld entlang einer harten Achse in dem Magnetspeicherabschnitt. In jedem der Spaltenzyklen, die den Befehl einer Datenschreibtätigkeit enthalten, startet die Lieferung des einen der Datenschreibströme später als die Lieferung des anderen der Datenschreibströme.

Daher ist es möglich, den Magnetspeicherabschnitt mit einer Form vorzusehen, der stabile Magnetisierungseigenschaften erzeugt. Die Verbindungsgruppe zum Durchlassen der Datenschreibströme kann effektiv angeordnet sein.

Bevorzugt weist jeder der Magnetspeicherabschnitte eine Form mit einem Aspektverhältnis größer als eins zwischen einer langen Seite und einer kurzen Seite auf. Die eine der ersten und der zweiten Datenschreibverbindung, die den einen der Datenschreibströme trägt, ist entlang der kurzen Seite angeordnet. Die andere der ersten und der zweiten Datenschreibverbindung, die den anderen Datenschreibstrom trägt, ist entlang der langen Seite angeordnet.

Daher können die Datenlesetätigkeit und die Datenschreibtätigkeit willkürlich miteinander zum Ausführen eines jeden Spaltenzyklus während einer Seitenmodustätigkeit kombiniert werden.

Gemäß einem noch anderen Aspekt sieht die Erfindung ein Dünnfilmmagnetspeicherbauelement zum Ausführen eines Seitenmodusbetriebes mit einem Einheitsbetriebszyklus vor, der einen Zeilenzyklus zum Empfangen einer Eingabe einer Zeilenadresse und einer Mehrzahl von folgenden Spaltenzyklen zum Empfangen einer Eingabe einer Spaltenadresse in jedem der Spaltenzyklen. Eine Mehrzahl von Speicherzellen ist in Zeilen und Spalten angeordnet. Jede Speicherzelle weist einen Magnetspeicherabschnitt mit einem elektrischen Widerstand auf, der gemäß einer Magnetisierungsrichtung variiert, die als Reaktion auf das Anlegen eines vorbestimmten Datenschreibmagnetfeldes überschreibbar ist, das durch einen ersten und einen zweiten Datenschreibstrom erzeugt wird. Ein Zugriffselement ist elektrisch in Reihe mit dem Magnetspeicherabschnitt geschaltet und wird selektiv zum Durchlassen eines Datenlesestromes eingeschaltet. Das Dünnfilmmagnetspeicherbauelement enthält weiter eine Mehrzahl von Datenschreibauswahlleitungen, die entsprechend für die Speicherzellenzeilen vorgesehen sind und selektiv zum Durchlassen des ersten Datenschreibstromes aktiviert werden. Eine Mehrzahl von Datenleseauswahlleitungen ist entsprechend den Speicherzellenzeilen vorgesehen und wird selektiv zum Einschalten des Zugriffselementes aktiviert. Eine Mehrzahl von Datenleitungen ist entsprechend den Speicherzellenspalten vorgesehen. Eine Lese/Schreibsteuerschaltung liefert den Datenlesestrom zu der Datenleitung entsprechend der empfangene Spaltenadresse in jedem Spaltenzyklus, der den Befehl des Datenlesebetriebes enthält. Ein zweiter Datenschreibstrom wird zu der Datenleitung entsprechend der empfangenen Spaltenadresse in jedem Spaltenzyklus geliefert, der den Befehl der Datenschreibtätigkeit enthält. Ein Zeilenauswahlabschnitt steuert die Aktivierung der Mehrzahl von ersten Datenschreibverbindungen und der Mehrzahl von Datenleseauswahlverbindungen gemäß dem Resultaten der Zeilenauswahl auf der Grundlage der Zeilenadresse. Der Zeilenauswahlabschnitt inaktiviert die Datenleseauswahlleitung entsprechend der ausgewählten Zeile und aktiviert die erste Datenschreibverbindung gemäß der ausgewählten Zeile während einer vorbestimmten Periode in jedem Spaltenzyklus, der den Befehl der Datenschreibtätigkeit enthält.

Das oben beschriebene Dünnfilmmagnetspeicherbauelement hält den aktiven Zustand der Datenleseauswahlleitung in der ausgewählten Zeile während einer Periode mit der Ausnahme einer vorbestimmten Periode des Spaltenzyklus, in dem der Datenschreibbetrieb befohlen ist. Daher kann eine Betriebsgeschwindigkeit in jedem Spaltenzyklus vergrößert werden, der den Befehl der Datenlesetätigkeit enthält.

Bevorzugt aktiviert der Zeilenauswahlabschnitt die Datenleseauswahlleitung entsprechend der ausgewählten Zeile während einer Periode, die nicht die vorbestimmte Periode ist.

Bevorzugt ist jede der Speicherzellen so angeordnet, daß sie einen Knoten aufweist, der mit der entsprechenden ersten Datenschreibverbindung elektrisch verbunden ist. Der Zeilenauswahlabschnitt steuert die Aktivierung der Mehrzahl von Datenleseauswahlleitungen derart, daß die Aktivierungsperiode der Datenleseauswahlleitung nicht in der Zeit mit der Lieferperiode des ersten Datenschreibstromes überlappt.

Bevorzugt ist jede Speicherzelle elektrisch von der entsprechenden ersten Datenschreibverbindung isoliert. Der Zeilenauswahlabschnitt steuert die Aktivierung der Mehrzahl von Datenleseauswahlleitungen derart, daß die aktive Periode einer jeden Datenleseauswahlleitung einen Abschnitt aufweist, der in der Zeit mit der Lieferperiode des zweiten Datenschreibauswahlstromes überlappt.

Gemäß einem noch anderen Aspekt sieht die Erfindung ein Dünnfilmmagnetspeicherbauelement zum Ausführen eines Seitenmodusbetriebes mit einem Einheitsbetriebszyklus vor mit einem Zeilenzyklus zum Empfangen einer Eingabe einer Zeilenadresse und einer Mehrzahl von folgenden Spaltenzyklen zum Empfangen einer Eingabe einer Spaltenadresse in jedem der Spaltenzyklen. Eine Mehrzahl von Speicherzellen ist in Zeilen und Spalten angeordnet. Jede Speicherzelle weist einen Magnetspeicherabschnitt auf mit einem elektrischen Widerstand, der gemäß einer Magnetisierungsrichtung variiert, die als Reaktion auf das Anlegen eines vorbestimmten Datenschreibmagnetfeldes überschreibbar ist, das von ersten und zweiten Datenschreibströmen erzeugt wird. Ein Zugriffselement ist elektrisch in Reihe mit dem Magnetspeicherabschnitt gekoppelt und wird selektiv zum Durchlassen eines Datenlesestromes eingeschaltet. Das Dünnfilmmagnetspeicherbauelement enthält weiter eine Mehrzahl von Datenschreibauswahlleitungen, die entsprechend den Speicherzellenzeilen vorgesehen sind. Sie werden selektiv aktiviert zum Durchlassen des ersten Datenschreibstromes. Eine Mehrzahl von Datenleseauswahlleitungen ist entsprechend den Speicherzellenzeilen vorgesehen. Sie werden selektiv aktiviert zum Einschalten des Zugriffselementes. Eine Mehrzahl von Datenleitungen ist entsprechend den Speicherzellenspalten vorgesehen. Ein Zeilenauswahlabschnitt steuert die Aktivierung der Mehrzahl von ersten Datenschreibverbindungen und der Mehrzahl von Datenleseauswahlverbindungen gemäß den Resultaten der Zeilenauswahl auf der Grundlage der Zeilenadresse. Der Zeilenauswahlabschnitt aktiviert die Datenleseauswahlleitung entsprechend der ausgewählten Zeile in dem Zeilenzyklus und inaktiviert die Datenleseauswahlleitung in dem Spaltenzyklus. Das Dünnfilmmagnetspeicherbauelement enthält weiter eine Lese/Schreibsteuerschaltung zum Liefern des Datenlesestromes an jede der Datenleitungen, die mindestens M (M ganze Zahl größer als 1) mal vorgesehen ist, aus der Mehrzahl von Datenleitungen in dem Zeilenzyklus. Sie liefert den zweiten Datenschreibstrom an die Datenleitung entsprechend der empfangenen Spaltenadresse in jedem Spaltenzyklus, der den Befehl einer Datenschreibtätigkeit enthält. Eine Lesedatenverriegelungsschaltung hält die Speicherdaten der M Datenleitungen. Sie liest aus den Speicherzellen, die zu der ausgewählten Zeile gehört, in dem Zeilenzyklus. Eine Steuerschaltung befiehlt die Ausgabe von einem der M Speicherdaten entsprechend der empfangenen Spaltenadresse an die Lesedatenverriegelungsschaltung in dem Fall des Spaltenzyklus, der den Befehl der Datenlesetätigkeit enthält.

Bei dem oben beschriebenen Dünnfilmmagnetspeicherbauelement werden die Speicherdaten entsprechend der ausgewählten Zeile in dem Zeilenzyklus gelesen und während des Einheitsbetriebszyklus gehalten. Daher kann die Betriebsgeschwindigkeit in jedem der folgenden Spaltenzyklen erhöht werden, in dem die Datenlesetätigkeit befohlen wird.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild, das einen Gesamtaufbau eines MRAM-Bauelementes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein Schaltbild, das einen Aufbau eines in Fig. 1 gezeigten Speicherfeldes zeigt;
Fig. 3 ein Betriebswellenbild, das Tätigkeiten zum Datenschreiben und Datenlesen in dem in Fig. 2 gezeigten Speicherfeld darstellt;
Fig. 4 einen Querschnitt, der einen Aufbau eines Tunnelmagnetwiderstandselementes in einer MTJ-Speicherzelle zeigt;
Fig. 5 prinzipiell eine Anordnung von Bitleitungen BL und Schreibwortleitungen WWL für das Tunnelmagnetwiderstandselement gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 6 einen Aufbau des Tunnelmagnetwiderstandselementes gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 7 ein Schaltbild, das Aufbauten eines Speicherfeldes und seiner Peripherieschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
Fig. 8 ein Schaltbild, das einen Aufbau einer in Fig. 7 gezeigten Datenleseschaltung zeigt;
Fig. 9 ein Schaltbild, das einen Aufbau einer in Fig. 7 gezeigten Datenschreibschaltung zeigt;
Fig. 10 ein Blockschaltbild, das einen Aufbau eines in Fig. 7 gezeigten Spaltendekoders zeigt;
Fig. 11 ein Schaltbild, das einen Aufbau einer in Fig. 10 gezeigten Treibereinheit zeigt;
Fig. 12 ein Schaltbild, das einen Aufbau eines Schreibwortleitungstreibers zeigt;
Fig. 13A ein Betriebswellenformbild, das eine Datenlesetätigkeit gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt;
Fig. 13B einen Betriebswellenformbild, das eine Datenschreibtätigkeit gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt;
Fig. 14 grundsätzlich das Magnetisierungsverhalten des Tunnelmagnetwiderstandselementes bei der Datenschreibtätigkeit gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 15 das Auftreten eines unerwünschten mittleren Magnetisierungszustandes, der in einer freien Magnetschicht während des Datenschreibens auftritt;
Fig. 16 ein Schaltbild, das ein anderes Beispiel des Aufbaues des Speicherfeldes zeigt;
Fig. 17 ein Betriebeswellenformbild, das einen Seitenmodusbetrieb zum kontinuierlichen Ausführen des Datenlesens darstellt;
Fig. 18 ein Betriebswellenformbild, das einen Seitenmodusbetrieb zum kontinuierlichen Ausführen des Datenschreibens zeigt;
Fig. 19 ein Schaltbild, das einen Aufbau eines Wortleitungstreibers gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;
Fig. 20 ein Betriebswellenformbild, das einen Datenschreibbetrieb in dem Seitenmodusbetrieb gemäß einer ersten Modifikation der dritten Ausführungsform darstellt;
Fig. 21 ein Schaltbild, das einen Aufbau einer Treibereinheit einer Spaltenauswahlleitung CSL gemäß der ersten Modifikation der dritten Ausführungsform zeigt;
Fig. 22 ein Betriebswellenformbild, das einen Seitenmodusbetrieb gemäß einer zweiten Modifikation der dritten Ausführungsform zeigt;
Fig. 23 ein Schaltbild, das einen Aufbau eines Lesewortleitungstreiberabschnittes 30R gemäß der zweiten Modifikation der dritten Ausführungsform zeigt;
Fig. 24 ein Gesamtblockschaltbild, das einen Aufbau eines MRAN-Bauelementes gemäß einer dritten Modifikation der dritten Ausführungsform zeigt;
Fig. 25 ein Betriebswellenformbild, das einen Seitenmodusbetrieb des MRAM-Bauelementes gemäß der dritten Modifikation der dritten Ausführungsform darstellt;
Fig. 26 prinzipiell einen Aufbau einer MTJ- Speicherzelle;
Fig. 27 grundsätzlich einen Betrieb des Lesens von Daten aus der MTJ-Speicherzelle;
Fig. 28 grundsätzlich einen Betrieb des Schreibens von Daten in die MTJ-Speicherzelle;
Fig. 29 grundsätzlich eine Beziehung zwischen einem Datenschreibstrom und einer Magnetisierungsrichtung eines Tunnelmagnetwiderstandselementes bei der Tätigkeit des Schreibens von Daten in die MTJ-Speicherzelle; und
Fig. 30 grundsätzlich einen Aufbau eines Speicherfeldes, das aus MTJ-Speicherzellen gebildet ist, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind.

Erste Ausführungsform

Es wird Bezug genommen auf Fig. 1, ein MRAM-Bauelement 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung führt einen Direktzugriff/wahlweisen Zugriff als Reaktion auf ein Steuersignal CMD und ein Adreßsignal ADD durch, die extern angelegt werden, und sie führt die Eingabe von Schreibdaten DIN oder die Ausgabe von Lesedaten DOUT durch. Die Datenlesetätigkeit und die Datenschreibtätigkeit in dem MRAM-Bauelement 1 werden gemäß Zeitpunkten ausgeführt, z. B. mit einem extern angelegten Taktsignal CLK synchronisiert. Alternativ kann das MRAM- Bauelement 1 intern die Betriebszeitpunkte ohne den Empfang des extern angelegten Taktsignales CLK bestimmen.
Das MRAM-Bauelement 1 enthält eine Steuerschaltung 5 zum Steuern des Gesamtbetriebes des MRAM-Bauelementes 1 als Reaktion auf das Steuersignal CMD und ein Speicherfeld 10 mit einer Mehrzahl von MTJ-Speicherzellen, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Das Speicherfeld 10 enthält eine Mehrzahl von Schreibwortleitungen WWL und eine Mehrzahl von Lesewortleitungen RWL entsprechend den Zeilen der MTJ-Speicherzellen, die einfach als "Speicherzellenzeilen" im folgenden bezeichnet werden, obwohl der Aufbau des Speicherfeldes 10 später im größeren Detail erläutert wird. Ebenfalls sind Bitleitungen BL und/BL entsprechend den Spalten der MTJ-Speicherzellen angeordnet, die einfach als "Speicherzellenspalten" hier im folgenden bezeichnet werden.
Das MRAM-Bauelement 1 enthält weiter einen Zeilendekoder 20, einen Spaltendekoder 25, einen Wortleitungstreiber 30 und Lese/Schreibsteuerschaltungen 50 und 60.
Der Zeilendekoder 20 führt die Zeilenauswahl in den Speicherzellen 10 gemäß einer Zeilenadresse RA durch, die durch das Adreßsignal ADD dargestellt wird. Der Spaltendekoder 25 führt die Spaltenauswahl in dem Speicherfeld 10 gemäß einer Spaltenadresse CA aus, die durch das Adreßsignal ADD dargestellt wird. Der Wortleitungstreiber 30 aktiviert selektiv die Lesewortleitung RWL und die Schreibwortleitung WWL auf der Grundlage der Zeilenauswahl des Zeilendekoders 20. Die Zeilenadresse RA und die Spaltenadresse CA bezeichnen die Speicherzelle, die bezeichnet oder ausgewählt ist als ein Ziel des Datenlesens oder Datenschreibens, und sie kann einfach als "ausgewählte Speicherzelle" hier im folgenden bezeichnet werden.
Die Schreibwortleitung WWL ist mit einer Massespannung Vss in einem Bereich 40 verbunden, der in einem Abstand von dem Wortleitungstreiber 30 angeordnet ist, wobei das Speicherfeld 10 dazwischen vorgesehen ist. Die Lese/Schreibsteuerschaltungen 50 und 60 stellen gemeinsam Schaltungsgruppen dar, die in Bereichen in der Nachbarschaft des Speicherfeldes 10 angeordnet sind zum Liefern von Datenschreibströmen und Leseströmen (Datenleseströme) an Bitleitungen BL und /BL in einer ausgewählten Speicherzellenspalte, die im folgenden als "ausgewählte Spalte" bezeichnet werden kann) entsprechend der ausgewählten Speicherzelle.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 2, das Speicherfeld 10 weist MTJ-Speicherzellen MC auf, die in n Zeilen und m Spalten (n, m: natürliche Zahlen) angeordnet sind. In dem Speicherfeld 10 sind Lesewortleitungen RWL1-RWLn als auch Schreibwortleitungen WWL1-WWLn entsprechend zu den Speicherzellenzeilen angeordnet, und Bitleitungen BL1-BLm sind entsprechend zu den Speicherzellenspalten angeordnet.
In der folgenden Beschreibung werden Bezugszeichensätze "WWL", "RWL", und "BL" zum kollektiven oder allgemeinen Bezeichnen der Schreibwortleitung(en) der Lesewortleitung(en) bzw. der Bitleitung(en) benutzt. Bezugszeichensätze wie "WWL1", "RWL1" und "BL1", die Suffixe enthalten, die zu den obigen Sätzen hinzugefügt sind, werden zum speziellen Bezeichnen der Schreibwortleitung, Lesewortleitung bzw. Bitleitung benutzt. Ein hoher Spannungszustand (Stromversorgungsspannung Vcc) und ein niedriger Spannungszustand (Massespannung Vss) eines jeden von Signalen und Signalleitungen kann hier im folgenden als "H-Pegel" bzw. "L-Pegel" bezeichnet werden.
Jede MTJ-Speicherzelle MC weist ein Tunnelmagnetwiderstandselement TMR auf, das als ein Magnetspeicherabschnitt tätig ist, dessen elektrischer Widerstand variabel ist gemäß einem Pegel eines Speicherdatenwertes, und einen Zugriffstransistor ATR, der als ein Zugriffselement tätig ist und in Reihe mit dem Tunnelmagnetwiderstandselement TMR geschaltet ist. Wie bereits beschrieben wurde, ist der Zugriffstransistor ATR typischerweise aus einem MOS-Transistor gebildet, der ein Feldeffekttransistor ist, der auf einem Halbleitersubstrat gebildet ist.
Das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR ist elektrisch zwischen den Zugriffstransistor ATR und eine entsprechende Schreibwortleitung WWL geschaltet. Der Zugrifftransistor ATR ist elektrisch zwischen eine entsprechende Bitleitung BL und das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR geschaltet.
Das Gate des Zugrifftransistors ATR ist mit einer entsprechenden Lesewortleitung RWL verbunden. Der Zugrifftransistor ATR wird eingeschaltet zum elektrischen Verbinden des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR zwischen die entsprechende Bitleitung BL und Schreibwortleitung WWL, wenn die Lesewortleitung RWL auf den H-Pegel aktiviert ist. Wenn die Lesewortleitung RWL inaktiv ist (L-Pegel) ist der Zugriffstransistor ATR ausgeschaltet zum elektrischen Isolieren der Bitleitung BL von dem Tunnelmagnetwiderstandselement TMR.
Aufgrund des obigen Aufbaues sind das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR und die Bitleitung BL nicht miteinander direkt verbunden, sondern sie sind über den Zugrifftransistor ATR verbunden. Dadurch ist jede Bitleitung BL nicht direkt mit der Mehrzahl von Tunnelmagnetwiderstandselementen TMR verbunden, die zu der entsprechenden Speicherzellenspalte gehören, sondern sie ist elektrisch nur mit dem Tunnelmagnetwiderstandselement der ausgewählten Speicherzelle, d. h. einem Datenleseziel verbunden. Dadurch kann die Kapazität der Bitleitung BL klein sein, und die Betriebsgeschwindigkeit während des Datenlesens kann vergrößert werden.
Weiter kann das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR auf die Massespannung Vss bei der Datenlesetätigkeit unter Benutzung der Schreibwortleitung WWL heruntergezogen werden. Daher ist es nicht notwendig, eine Verbindung vorzusehen, die speziell auf das Liefern der Massespannung Vss gerichtet ist und die Metallverbindungen, die zum Bilden des MRAM-Bauelementes notwendig sind, können in der Zahl verringert werden.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 3, es wird die Beschreibung über den Betrieb des Schreibens und Lesens von Daten in dem in Fig. 2 gezeigten Speicherfeld gegeben.
Zuerst wird der Betrieb zum Datenschreiben beschrieben. Der Wortleitungstreiber 30 aktiviert und verbindet die Schreibwortleitung WWL, die der ausgewählten Zeile entspricht, mit der Stromversorgungsspannung Vcc gemäß dem Resultat der Zeilenauswahl des Zeilendekoders 20. Ein Ende einer jeden Schreibwortleitung WWL ist mit der Massespannung Vss in dem Bereich 40 verbunden. Daher trägt die Schreibwortleitung WWL in der ausgewählten Zeile einen Datenschreibstrom Ip von dem Wortleitungstreiber 30 zu dem Bereich 40.
In der nichtausgewählten Zeile kann die Schreibwortleitung WWL in einem inaktiven Zustand (L-Pegel der Massespannung Vss) so gehalten werden, daß der Datenschreibstrom nicht fließt. Jede Lesewortleitung RWL wird in einem inaktiven Zustand (L-Pegel) bei der Datenschreibtätigkeit gehalten.
Die Lese/Schreibsteuerschaltungen 50 und 60 steuern die Spannungen auf den entgegengesetzten Enden der Bitleitung BL in der entsprechend ausgewählten Spalte, und sie erzeugen dadurch den Datenschreibstrom mit einer Richtung in Abhängigkeit von dem Datenpegel der Schreibdaten. Wenn ein Speicherdatenwert, z. B. von "1" zu schreiben ist, wird die Bitleitungsspannung auf der Seite der Lese/Schreibsteuerschaltung 60 auf einen hohen Spannungszustand (Stromversorgungsspannung Vcc) gesetzt, und die Bitleitungsspannung auf der gegenüberliegenden Seite, d. h. der Seite der Lese/Schreibsteuerschaltung 50 wird auf einen niedrigen Spannungszustand (Massespannung Vss) gesetzt. Dadurch kann ein Datenschreibstrom +Iw durch die Bitleitung in der ausgewählten Spalte von der Lese/Schreibsteuerschaltung 60 zu der Lese/Schreibsteuerschaltung 50 fließen.
Wenn der Speicherdatenwert von "0" zu schreiben ist, werden die Spannungspolaritäten der Bitleitung auf dem gegenüberliegenden Seiten, d. h. den Seiten der Lese/Schreibsteuerschaltungen 50 und 60 invertiert, so daß ein Datenschreibstrom -Iw von der Lese/Schreibsteuerschaltung 50 zu der Lese/Schreibsteuerschaltung 60 fließt. Dadurch können der Datenschreibstrom Ip und die beiden Datenschreibströme +- Iw so geliefert werden, daß die Datenschreibmagnetfelder entsprechend dem Pegel des Schreibdatenwertes an die ausgewählte Speicherzelle angelegt werden, die als das Datenschreibziel ausgewählt ist.
Nun wird die Beschreibung hinsichtlich der Datenlesetätigkeit gegeben.
Bei der Datenlesetätigkeit aktiviert der Wortleitungstreiber 30 die Lesewortleitung RWL entsprechend der ausgewählten Zeile auf den H-Pegel gemäß dem Resultat der Zeilenauswahl des Zeilendekoders 20. In der unausgewählten Zeile wird der Spannungspegel der Lesewortleitung RWL inaktiv gehalten (auf dem L-Pegel), und jede der Schreibwortleitungen WWL wird auf der Massespannung Vss so gehalten, daß jede MTJ-Speicherzelle auf die Massespannung Vss heruntergezogen wird.
Die Bitleitung BL wird auf die Massespannung Vss vor dem Datenlesebetrieb vorgeladen. In diesem Zustand wird die Bitleitung in der ausgewählten Spalte durch die Lese/Schreibsteuerschaltung 50 hochgezogen, z. B. mit der Stromversorgungsspannung Vcc und wird mit einem konstanten Lesestrom Is beliefert.
Wenn das Datenlesen startet, wird die Lesewortleitung RWL in der ausgewählten Zeile aktiviert zum Erreichen des H-Pegels, und der entsprechende Zugriffstransistor ATR wird eingeschaltet. Dadurch wird die MTJ-Speicherzelle, die der ausgewählten Zeile entspricht, elektrisch zwischen die auf die Stromversorgungsspannung Vcc hochgezogene Bitleitung und die Schreibwortleitung WWL auf den Pegel der Massespannung Vss über den Zugriffstransistor ATR geschaltet. Dadurch fließt der Lesestrom Is durch das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR der ausgewählten Speicherzelle. Daher tritt ein Spannungsabfall (ΔV0 oder ΔV1 in Fig. 3) entsprechend dem Pegel des Speicherdatenwertes der ausgewählten Speicherzelle in der ausgewählten Speicherzelle auf, die als das Datenleseziel ausgewählt ist. Die Anordnung der MTJ-Speicherzelle in dem obigen MRAM-Bauelement wird nun beschrieben.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 4, das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR entsprechend dem Magnettunnelübergang enthält eine antiferromagnetische Materialschicht 101, einen Teilbereich einer festen Magnetschicht 102, die auf der antiferromagnetischen Materialschicht 101 gebildet ist und ein festes Magnetfeld in einer gleichförmigen Richtung aufweist, eine freie Magnetschicht 103, die durch ein angelegtes Magnetfeld magnetisiert wird, eine Tunnelbarriere 104, die aus einem Isolatorfilm gebildet ist, der zwischen der festen Magnetschicht 102 und der freien Magnetschicht 103 gebildet ist, und eine Kontaktelektrode 105.
Die antiferromagnetische Materialschicht 101, die feste Magnetschicht 102 und die freie Magnetschicht 103 sind aus geeigneten Magnetmaterialien wie Fe, Mn oder NiFe gebildet. Die Tunnelbarriere 104 ist aus Al₂O₃ oder ähnlichem gebildet. Das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR ist elektrisch mit einer oberen Verbindung über ein Barrierenmetall gekoppelt, das angeordnet ist und falls notwendig in der Form eines Pufferteiles gebildet ist zum elektrischen Koppeln der Metallverbindung, obwohl sie nicht gezeigt ist.
Die Kontaktelektrode 105 ist elektrisch mit einer unteren Verbindung gekoppelt. Zum Beispiel entspricht die obere Verbindung der Bitleitung BL und die untere Verbindung entspricht der Metallverbindung, die mit dem Zugriffstransistor ATR verbunden ist.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 5, das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR weist eine länglich oder rechteckige Form mit einem Aspektverhältnis (d. h. ein Verhältnis zwischen einer langen Seitenlänge "a" und einer kurzen Seitenlänge "b" in Fig. 5), das im wesentlichen in einen Bereich von 2 : 1 bis 4 : 1 fällt. Gemäß dieser Form sind die weiche Achse/leichte Achse (EA) und die harte Achse (HA) in dem Tunnelmagnetwiderstandselement parallel zu der langen Seite bzw. der kurzen Seite.
Weiter ist die rechteckige Form abgeschrägt zum Verhindern des Auftretens einer unnötigen Magnetisierung in der Richtung der harten Achse (HA) in den Nähen der Enden. Als Resultat ist es möglich, eine Korrelation zwischen den zwei Arten von Magnetisierungsrichtungen entlang der weichen Achse in der freien Magnetschicht des Tunnelmagnetwiderstandselementes und dem Pegel der Schreibdaten aufzustellen, und dadurch kann eine Datenspeichertätigkeit mit hoher Zuverlässigkeit durchgeführt werden. In Zusammenhang damit kann ein Schwellenwert, der zum Invertieren der Magnetisierung in der Richtung der leichten Achse benötigt wird, durch Anlegen eines Magnetfeldes in der Richtung der harten Achse abgesenkt werden. Im Hinblick auf die obigen Magnetisierungseigenschaften ist der Betriebspunkt, d. h. das angelegte Magnetfeld bei dem Datenschreiben so eingestellt, daß er an den Fall angepaßt ist, in dem die Datenschreibströme in beiden, der Zeilen- und der Spaltenrichtung angelegt werden, wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 29 beschrieben wurde.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Form des Tunnelmagnetwiderstandselementes, d. h. die Form der MTJ-Speicherzelle in Hinblick auf die Stabilität der Magnetisierungstätigkeit bei der Datenschreibtätigkeit ausgelegt werden. Dadurch wird solch ein Layout natürlicherweise so bestimmt, daß die Bitleitung BL zum Erzeugen des Datenschreibmagnetfeldes in der Richtung der weichen Achse eines Verbindungsbreite größer als die der Schreibwortleitung WWL zum Erzeugen des Magnetfeldes in der Richtung der harten Achse aufweist. Daher kann die Fläche des Speicherfeldes verringert werden.
Mit anderen Worten, die Bitleitung BL weist die Verbindungsbreite in der Richtung der langen Seite auf, und die Schreibwortleitung WWL weist die Verbindungsbreite in der Richtung der kurzen Seite auf. Daher ist es leicht, die Bitleitung BL mit der Verbindungsbreite größer als die der Schreibwortleitung WWL vorzusehen.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 6, der Zugriffstransistor ATR ist an einem p-Bereich PAR auf einem Halbleiterhauptsubstrat SUB gebildet. Der Zugriffstransistor ATR weist Source/Drainbereiche 110 und 120, die aus n-Bereichen gebildet sind, als auch ein Gate 130 auf. Der Source/Drainbereich 110 ist mit der Bitleitung BL verbunden, die an einer ersten Metallverbindungsschicht M1 gebildet ist.
Die Lesewortleitung RWL ist zum Steuern der Gatespannung des Zugrifftransistors ATR vorgesehen, und es ist nicht notwendig, daß positiv oder aktiv ein Strom dadurch fließt. Zum Erhöhen der Dichte oder des Integrationsgrades ist die Lesewortleitung RWL nicht an einer unabhängigen Metallverbindungsschicht gebildet, die dafür zugeordnet ist, sondern sie ist an der gleichen Verbindungsschicht wie das Gate 130 gebildet, in dem eine polykristalline Siliziumschicht oder eine Polyzidstruktur benutzt wird.
Der Source/Drainbereich 120 des Zugriffstransistors ATR ist elektrisch mit dem Tunnelmagnetwiderstandselement TMR über einen Metallfilm 150, der in einem Kontaktloch gebildet ist, die erste Metallverbindungsschicht M1 und ein Barrierenmetall 140 verbunden. Das Barrierenmetall 140 ist ein Pufferteil, das zum elektrischen Verbinden des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR mit der Metallverbindung vorgesehen ist.
Die Schreibwortleitung WWL ist an einer zweiten Metallverbindungsschicht M2 gebildet und elektrisch mit dem Tunnelmagnetwiderstandselement TMR verbunden.
Wie oben beschrieben wurde sind die Bitleitung BL und die Schreibwortleitung WWL zum Tragen der Datenschreibströme auf dem Halbleitersubstrat angeordnet, die das MRAM-Bauelement derart trägt, daß ein Abstand zwischen der Bitleitung BL, die die Verbindungsbreite in der Richtung der langen Seite des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR aufweist, und den Tunnelmagnetwiderstandselement TMR größer als in Abstand zwischen der Schreibwortleitung WWL, die die Verbindungsbreite in der Richtung der kurzen Seite des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR aufweist, und dem Tunnelmagnetwiderstandselement TMR ist.
Somit wird die Verbindung, die einen größeren Strom bei der Datenschreibtätigkeit tragen muß und relativ entfernt von dem Tunnelmagnetwiderstandselement TMR angeordnet ist, als Bitleitung BL benutzt, deren Verbindungsbreite leicht vergrößert werden kann. Somit ist es möglich, die Stromdichte der Schreibwortleitung WWL abzusenken, deren Verbindungsbreite nicht leicht vergrößert werden kann. Bei dem MRAM-Bauelement, das mit den MTJ-Speicherzellen mit den stabilen Datenschreibeigenschaften versehen ist, können daher die Verbindungsgruppen zum Durchlassen der Datenschreibströme effektiv so angeordnet werden, daß ein Absinken der Betriebszuverlässigkeit verhindert wird.
Ein System-LSI oder ähnliches das einen Speicher und eine Logik aufweist, die auf einen gemeinsamen Chip eingebettet sind, ist im allgemeinen so ausgelegt, daß eine Metallverbindungsschicht auf einem höheren Niveau eine größere Filmdicke aufweist. Durch Anordnen der Schreibwortleitung WWL auf einem höheren Niveau, wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist es daher leicht, eine geeignete Querschnittsfläche der Schreibwortleitung sicherzustellen, die nicht immer allgemein eine ausreichende Verbindungsbreite aufgrund einer Beziehung zum Bilden des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR aufweisen kann. Daher kann das MRAM-Bauelement gemäß der ersten Ausführungsform leicht auf ein Speicherelement des eingebetteten Logiktypes angewendet werden.
Bei dem in Fig. 6 gezeigten Aufbau können die Bitleitung BL und somit die Metallverbindungsschicht M1 so ausgelegt werden, daß sie eine große Verbindungsdicke bzw. Filmdicke aufweisen, wodurch es möglich ist, die Zunahme der Stromdichte der Bitleitung zu verhindern, die einen größeren Datenschreibstrom trägt, während eine Verbindungsbreite davon verringert wird. Als Resultat kann die Speicherzellengröße verringert werden, während der Form des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR eine Betrachtung gegeben wird.

Zweite Ausführungsform

Bei der Datenschreibtätigkeit werden, wie bereits in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, zwei Arten von Datenschreibmagnetfeldern in der Richtung der harten Achse bzw. der weichen Achse an die MTJ-Speicherzelle angelegt. Eine zweite Ausführungsform wird nun in Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben, das den Datenschreibstrom zum stabilen Magnetisieren des Tunnelmagnetwiderstandselementes, das in jeder MTJ-Speicherzelle gebildet ist, bei der Datenschreibtätigkeit liefert.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 7, Lesewortleitungen RWL1- RWLn als auch Schreibwortleitungen WWL1-WWLn in einem Speicherfeld gemäß der zweiten Ausführungsform sind entsprechend den Speicherzellenspalten ähnlich zu dem in Fig. 2 gezeigten Speicherfeld jeweils angeordnet. Bitleitungen BL1 und /BL1- BLm und /BLm sind zum Bilden von Bitleitungspaaren BLP1-BLPm entsprechend den Speicherzellenspalten jeweils angeordnet. In der folgenden Beschreibung können die Bitleitungen /BL1-/BLm kollektiv als "Bitleitung /BL" bezeichnet werden.
Die MTJ-Speicherzellen MC in abwechselnden Zeilen sind mit der gleichen Art von Bitleitungen BL oder /BL verbunden. Zum Beispiel ist aus den MTJ-Speicherzellen, die zu der ersten Speicherzellenspalte gehören, die MTJ-Speicherzelle in der ersten Zeile mit der Bitleitung /BL1 verbunden, die MTJ-Speicherzelle in der zweiten Zeile ist mit der Bitleitung BL1 verbunden. Die anderen MTJ-Speicherzellen sind auf ähnliche Weise so verbunden, daß die Speicherzellen in den ungeraden Zeilen mit einer Art von Bitleitungen /BL1-/BLm in den Bitleitungspaaren verbunden sind, und die MTJ-Speicherzellen in den anderen der geraden Zeilen sind mit der anderen Art von Bitleitungen BL1-BLm verbunden.
Bei dem Aufbau gemäß der zweiten Ausführungsform weist das Speicherfeld 10 weiter eine Mehrzahl von Blindspeicherzellen DMC auf, die mit den Bitleitungen BL1 und /BL1-BLm und /BLm verbunden sind. Die Blindspeicherzellen DMC sind in zwei Zeilen und m Spalten so angeordnet, daß jede Blindspeicherzelle DMC einer Blindlesewortleitung DRWL1 oder DRWL2 entspricht. Die Blindspeicherzellen entsprechend der Blindlesewortleitung DRWL1 sind mit den Bitleitungen BL1, BL2, . . . BLm verbunden. Die anderen Blindspeicherzellen entsprechend der Blindlesewortleitung DRWL2 sind mit den Bitleitungen /BL1, /BL2, . . . /BLm verbunden.
Die Blindspeicherzelle DMC weist ein Blindwiderstandselement TMRd und ein Blindzugriffselement ATRd auf. Das Blindwiderstandselement TMRd weist einen elektrischen Widerstand Rd eines Wertes in der Mitte zwischen elektrischen Widerständen Rmax und Rmin auf, die den Speicherdatenpegeln "1" bzw. "0" der MTJ-Speicherzelle MC entsprechen und eine Beziehung Rmax>Rd>Rmin befriedigt. Das Blindzugriffselement ATRd ist typischerweise aus einem Feldeffekttransistor ähnlich zu dem Zugriffselement der MTJ-Speicherzelle gebildet. Daher kann das Blindzugriffselement als ein "Blindzugrifftransistor ATRd" hier im folgenden bezeichnet werden.
Weiter sind Blindschreibwortleitungen DWWL1 und DWWL2 entsprechend jeder Zeile der Blindspeicherzellen angeordnet. In Abhängigkeit des Aufbaues des Blindwiderstandselementes TMRd können die Blindschreibwortleitungen überflüssig sein, aber Blindschreibwortleitungen DWWL1 und DWWL2 mit der gleichen Auslegung wie die Schreibwortleitungen WWL sind zum Sicherstellen der Kontinuität der Formen der Konfigurationen auf dem Speicherfeld vorgesehen, wodurch eine Verkomplizierung des Herstellungsvorganges vermieden wird.
Bei der Datenlesetätigkeit wird, wenn eine ungerade Zeile gemäß dem Resultat der Zeilenauswahl gewählt wird, jede Bitleitung /BL1-/BLm mit der MTJ-Speicherzelle MC verbunden. In diesem Fall wird die Blindlesewortleitung DRWL1 aktiviert, und jede Bitleitung BL1-BLm wird mit der Blindspeicherzelle DMC verbunden. Wenn eine gerade Zeile ausgewählt wird und jede Bitleitung BL1-BLm mit der MTJ-Speicherzelle MC verbunden wird, wird die Blindlesewortleitung DRWL2 aktiviert, und jede Bitleitung /BL1-/BLm wird mit der Blindspeicherzelle DMC verbunden.
Die Blindlesewortleitungen DRWL1 und DRWL2 können kollektiv als "Blindlesewortleitung(en) DRWL" bezeichnet werden.
Der Wortleitungstreiber 30 verbindet ein Ende der Schreibwortleitung WWL in der ausgewählten Zeile mit einer Stromversorgungsspannung Vcc2 bei der Datenschreibtätigkeit. Dadurch kann der Datenschreibstrom Ip in der Zeilenrichtung durch die Schreibwortleitung WWL in der ausgewählten Zeile in der Richtung von dem Wortleitungstreiber 30 zu dem Bereich 40 fließen. Die Schreibwortleitungen in den nichtausgewählten Zeilen sind mit der Massespannung Vss durch den Wortleitungstreiber 30 verbunden.
Bei der Datenlesetätigkeit aktiviert der Wortleitungstreiber 30 selektiv die Lesewortleitung RWL und die Blindlesewortleitungen DRWL1 und DRWL2 auf den H-Pegel (Stromversorgungsspannung Vcc1) gemäß dem Resultat der Zeilenauswahl. Genauer, wenn eine ungerade Zeile ausgewählt wird zum Verbinden der MTJ- Speicherzellengruppe in der ausgewählten Zeile mit den Bitleitungen /BL1-/BLm wird die Blindlesewortleitung DRWL1 aktiviert zum Verbinden der Blindspeicherzellengruppe mit den Bitleitungen BL1-BLm. Wenn eine gerade Zeile ausgewählt wird, wird die Blindlesewortleitung DRWL2 aktiviert.
Spaltenauswahlleitungen CSL1-CSLm zum Ausführen der Spaltenauswahl sind entsprechend den Speicherzellenspalten jeweils vorgesehen. Der Spaltendekoder 25 aktiviert eine der Spaltenauswahlleitungen CSL1-CSLm auf den ausgewählten Zustand (H- Pegel) gemäß dem Resultat der Dekodierung der Spaltenadresse CA, d. h. dem Resultat der Spaltenauswahl jeweils bei der Datenschreibtätigkeit und der Datenlesetätigkeit.
Weiterhin ist ein Datenbuspaar DBP zum Übertragen der Lese- und Schreibdaten vorgesehen. Das Datenbuspaar DB enthält Datenbusse DB und /DB, die komplementär zueinander sind.
Die Lese/Schreibsteuerschaltung 50 enthält eine Datenschreibschaltung 51 W, eine Datenleseschaltung 51R und Spaltenauswahlgatter CSG1-CSGm, die entsprechend den jeweiligen Speicherzellenspalten vorgesehen sind.
Da jedes der Spaltenauswahlgatter CSG1-CSGm einen ähnlichen Aufbau aufweist, wird die Beschreibung nun repräsentativ für den Aufbau des Spaltenauswahlgatters CSG1 gegeben, das für die Bitleitungen BL1 und /BL1 vorgesehen ist.
Das Spaltenauswahlgatter CSG1 weist einen Transistorschalter, der elektrisch zwischen den Datenbus DB und die Bitleitung BL1 geschaltet ist, und einen Transistorschalter, der elektrisch zwischen den Datenbus /DB und die Bitleitung /BL1 geschaltet ist. Diese Transistorschalter werden ein- und ausgeschaltet gemäß der Spannung auf der Spaltenauswahlleitung CSL1. Wenn die Spaltenauswahlleitung CSL1 aktiviert ist zum Annehmen des ausgewählten Zustandes (H-Pegel), verbindet das Spaltenauswahlgatter CSG1 elektrisch die Datenbusse DB und /DB mit den Bitleitungen BL1 bzw. /BL1.
In der folgenden Beschreibung werden die Spaltenauswahlleitungen CSL1-CSLm und die Spaltenauswahlgatter CSG1-CSGm kollektiv und einfach als "Spaltenauswahlleitung(en) CSL" und "Spaltenauswahlgatter CSG" bezeichnet.
Die Lese/Schreibsteuerschaltung 60 weist Kurzschlußschalttransistoren 62-1 bis 62-m als auch Steuergatter 66-1 bis 66-m auf, die für die jeweiligen Speicherzellenspalten vorgesehen sind. Die Lese/Schreibsteuerschaltung 60 weist weiter Vorladetransistoren 64-1a und 64-1b bis 64-ma und 64-mb auf, die zwischen der Massespannung Vss und den Bitleitungen BL1 und /BL1 bis BLm bzw. /BLm angeordnet sind.
In der folgenden Beschreibung werden die Kurzschlußtransistoren 62-1 bis 62-m, die Vorladetransistoren 64-1a und 64-1b bis 64-ma und 64-mb und die Steuergatter 66-1 bis 66-m kollektiv als "Kurzschlußtransistor(en) 62", "Vorladetransistor(en) 64" und "Steuergatter 66" bezeichnet.
Jedes Steuergatter 66 gibt Resultate einer logischen AND- Verknüpfung zwischen der entsprechenden Spaltenauswahlleitung CSL und einem Steuersignal WE aus. Daher wird der Ausgang des Steuergatters 66 entsprechend der ausgewählten Spalte selektiv zum Annehmen des H-Pegels bei der Datenschreibtätigkeit aktiviert.
Der Kurzschlußschalttransistor 62 verbindet elektrisch Enden auf einer Seite der Bitleitungen BL und /BL entsprechend der ausgewählten Spalte miteinander.
Jeder Vorladetransistor 64 wird zum Vorladen der Bitleitungen BL1 und /BL1 bis BLm und /BLm auf die Massespannung Vss als Resultat auf die Aktivierung eines Bitleitungsvorladesignales BLPR eingeschaltet. Das Bitleitungsvorladesignal BLPR, das von der Steuerschaltung 5 erzeugt wird, wird aktiviert zum Annehmen des H-Pegels während mindestens einer vorbestimmten Periode vor dem Ausführen des Datenlesens, während das MRAM- Bauelement 1 aktiv ist. Während das MRAM-Bauelement 1 aktiv ist, und insbesondere bei der Datenlesetätigkeit und der Datenschreibtätigkeit, ist das Bitleitungsvorladesignal BLPR inaktiviert zum Annehmen des L-Pegels, und der Vorladetransistor 64 ist ausgeschaltet.
Die Beschreibung wird nun bezüglich des Aufbaues der Datenleseschaltung und der Datenschreibschaltung gegeben.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 8, die Datenleseschaltung 51R enthält Konstantstromlieferschaltungen 70 und 71, die die Stromversorgungsspannung Vcc1 empfangen und einen Konstantstrom I(Lesen) an interne Knoten Ns1 bzw. Ns2 liefern, einen N-Kanal-MOS-Transistor 73, der elektrisch zwischen den internen Knoten Ns1 und den Daten DB geschaltet ist, einen N-Kanal- MOS-Transistor 74, der elektrisch zwischen den internen Knoten Ns2 und den Datenbus /DB geschaltet ist, einen Verstärker 75 zum Verstärken einer Spannungspegeldifferenz zwischen den internen Knoten Ns1 und Ns2 zum Ausgeben von Lesedaten DOUT, und Widerstände 76 und 77.
Jeder der N-Kanal-MOS-Transistoren 73 und 74 empfängt eine Referenzspannung Vrr an seinem Gate. Widerstände 76 und 77 sind zum Herabziehen der internen Knoten Ns1 und Ns2 auf die Massespannung Vss vorgesehen. Aufgrund dieses Aufbaues kann die Datenleseschaltung 51R den Lesestrom Is entsprechend dem Konstantstrom I(Lesen) für jeden Datenbus DB und /DB während der Datenlesetätigkeit liefern.
Bei der Datenlesetätigkeit wird jeder der Datenbusse DB und /DB auf die Massespannung Vss über eine der Bitleitungen BL und /BL und eine der ausgewählten Speicherzellen und die Blindspeicherzelle heruntergezogen. Dadurch kann die Datenleseschaltung 51R die Spannungsdifferenz zwischen den internen Knoten Ns1 und Ns2 verstärken und dadurch den Speicherdatenwert in der ausgewählten Speicherzelle auslesen.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 9, die Datenschreibschaltung 51W weist eine Konstantstromlieferschaltung 80 zum Liefern eines Konstantstromes I(Schreiben) und P-Kanal-MOS-Transistoren 81 und 82, die eine Stromspiegelschaltung bilden, auf. Dadurch wird der an einen internen Knoten Nw0 gelieferte Strom gemäß dem Konstantstrom I(Schreiben) gesetzt.
Die Datenschreibschaltung 51W weist weiter Inverter 84, 85 und 86 auf, die einen Betriebsstrom über den internen Knoten Nw0 empfangen. Jeder der Inverter 84, 85 und 86 empfängt die Stromversorgungsspannung Vcc2 und die Massespannung Vss.
Der Inverter 84 invertiert den Spannungspegel der Schreibdaten DIN und überträgt dieselben zu dem Datenbus DB. Der Inverter 85 invertiert den Spannungspegel der Schreibdaten DIN und überträgt dieselben zu einem Eingangsknoten des Inverters 86. Der Inverter 86 invertiert die Ausgabe des Inverters 84 und überträgt dieselben zu dem Datenbus /DB. Daher stellt die Datenschreibschaltung 51W die Spannungen auf dem Datenbussen DB und /DB auf die Stromversorgungsspannung Vcc bzw. die Massespannung Vss gemäß dem Pegel der Schreibdaten DIN ein.
Dadurch kann der Datenschreibstrom +-Iw in der Richtung in Abhängigkeit des Pegels der Schreibdaten DIN durch einen Pfad fließen, der aus dem Datenbus DB (/DB), dem Spaltenauswahlgatter CSG, der Bitleitung BL (/BL), dem Kurzschlußschalttransistor 62, der Bitleitung /BL (BL) dem Spaltenauswahlgatter CSG und dem Datenbus /DB (DB) in der ausgewählten Spalte gebildet ist.
Die Stromversorgungsspannung Vcc2, die die Betriebsspannung der Datenschreibschaltung 51W ist, ist höher als die Spannung Vcc1 gesetzt, die die Betriebsspannung der Datenleseschaltung 51R ist. Dieses ist so, da die Datenschreibströme Ip und +-Iw, die zum Magnetisieren des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR in der ausgewählten Speicherzelle bei der Datenschreibtätigkeit notwendig sind, größer sind als der Lesestrom Is, der zum Datenlesen notwendig ist. Zum Beispiel kann die Stromversorgungsspannung Vcc2 aus der externen Stromversorgungsspannung selbst gebildet werden, die extern an das MRAM-Bauelement geliefert wird, und diese externe Stromversorgungsspannung kann durch einen Spannungsabfallwandler (nicht gezeigt) zum Erzeugen der Stromversorgungsspannung Vcc1 abgesenkt werden. Durch diesen Aufbau können die Stromversorgungsspannungen Vcc1 und Vcc2 effektiv geliefert werden.
Die Beschreibung wird nun hinsichtlich des Aufbaues des Spaltendekoders und des Wortleitungstreibers gegeben.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 10, der Spaltendekoder 25 weist Dekodiereinheiten CDU1 bis CDUm als auch Treibereinheiten DVU1 bis DVUm auf, die für die entsprechenden Speicherzellenspalten jeweils vorgesehen sind. Jede Dekodiereinheit CDU1 bis CDUm empfängt die Spaltenadresse CA und aktiviert seinen Ausgang zum Gehen auf den L-Pegel, wenn die entsprechende Speicherzellenspalte ausgewählt ist. Die Treibereinheiten DVU1 bis DVUm treiben die Spaltenauswahlleitungen CSL1 bis CSLm als Reaktion auf die Ausgaben der Dekodiereinheiten CDU1 bis CDUm.
Die Treibereinheiten DVU1 bis DVUm weisen den gleichen Aufbau auf. Daher zeigt Fig. 11 repräsentativ nur eine Treibereinheit DVU1 entsprechend der Spaltenauswahlleitung CSL1.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 11, die Treibereinheit DVU1 enthält P-Kanal-MOS-Transistoren 200 und 201, die in Reihe zwischen die Stromversorgungsspannung Vcc2 und die Spaltenauswahlleitung CSL1 geschaltet sind, P-Kanal-MOS-Transistoren 202 und 203, die in Reihe zwischen die Stromversorgungsspannung Vcc1 und die Spaltenauswahlleitung CSL1 geschaltet sind, und einen N-Kanal-MOS-Transistor 204, der zwischen die Spaltenauswahlleitung CSL1 und die Massespannung Vss geschaltet ist.
Die Treibereinheit DVU1 weist Logikgatter 206 und 208 auf. Das Logikgatter 206 gibt das Resultat einer logischen AND- Verknüpfung und zwischen den Steuersignalen /RE und /WR1 aus. Das Steuersignal /WR1 nimmt den L-Pegel während einer vorbestimmten Periode an, während der die Spaltenauswahlleitung CSL in der ausgewählten Spalte aktiv sein soll bei der Datenschreibtätigkeit. Während einer Periode, die nicht die obige ist, ist das Steuersignal /WR1 inaktiv und auf dem H-Pegel. Das Steuersignal /RE nimmt den L-Pegel während einer vorbestimmten Periode bei der Datenlesetätigkeit an und wird inaktiv (H-Pegel) während der Periode, die nicht die obige ist, gehalten.
Das Logikgatter 208 legt das Resultat einer OR-Verknüpfung zwischen dem Ausgang des Logikgatters 206 und dem Ausgang der Dekodiereinheit CDU1 jeweils an die Gates der P-Kanal-MOS- Transistoren 201 und 203 und des N-Kanal-MOS-Transistors 204 an. Der P-Kanal-MOS-Transistor 200 empfängt ein invertiertes Signal des Steuersignales /WE an seinem Gate, und der P-Kanal- MOS-Transistor 202 empfängt das Steuersignal /WE an seinem Gate.
Der P-Kanal-MOS-Transistor 202 ist so ausgelegt, daß er eine Stromtreiberfähigkeit kleiner als die des P-Kanal-MOS- Transistors 200 aufweist. Zum Beispiel ist der P-Kanal-MOS- Transistor 202 ausgelegt, daß er eine kleinere Gatebreite als der Transistor 200 aufweist, so daß die obigen Eigenschaften erzielt werden.
Gemäß dem obigen Aufbau treibt ein Inverter, der aus dem P- und dem N-Kanal-MOS-Transistor 203 und 204 gebildet ist, die mit einem Betriebsstrom I1 von dem eingeschalteten P-Kanal- MOS-Transistor 202 beliefert werden, die Spaltenauswahlleitung CSL1 gemäß dem Ausgang des Logikgatters 208 bei der Datenschreibtätigkeit.
Genauer, wenn der Ausgang der Dekodiereinheit CDU1 aktiv und auf dem L-Pegel ist, d. h. wenn die Speicherzellenspalte an der ersten Position ausgewählt ist, wird die Spaltenauswahlleitung CSL1 auf den H-Pegel (Stromversorgungsspannung Vcc2) als Reaktion auf die aktive Periode (L-Pegel) des Steuersignales /WR1 getrieben. Die Spaltenauswahlleitung CSL in der nichtausgewählten Spalte wird auf die Massespannung Vss getrieben.
Bei der Datenlesetätigkeit treibt ein Inverter, der aus dem P- und dem N-Kanal-MOS-Transistor 201 und 204 gebildet ist, die mit einem Betriebsstrom I2 (I2 > I1) von dem eingeschalteten P- Kanal-MOS-Transistor 200 beliefert wird, die Spaltenauswahlleitung CSL1 gemäß der Ausgabe des Logikgatters 208. Daher wird die ausgewählte Spaltenauswahlleitung CSL1 auf den H- Pegel (Stromversorgungsspannung Vcc2) als Reaktion auf die aktive Periode (L-Pegel) des Steuersignales /RE getrieben.
Wie oben beschrieben wurde, gibt die Dekodiereinheit CDU1 die Resultate des Dekodierens gemäß dem gleichen Zeitpunkt sowohl bei der Datenlesetätigkeit als auch bei der Datenschreibtätigkeit aus, aber die aktive Spaltenauswahlleitung CSL wird durch verschiedene Leistungen getrieben (d. h. verschiedene Beträge von gelieferten Strömen) bei der Datenschreibtätigkeit bzw. der Datenlesetätigkeit. Daher steigt die Spannung auf der Spaltenauswahlleitung CSL, die während der Datenschreibtätigkeit aktiviert wird, langsam an und weist eine große Anstiegszeitkonstante auf. Bei der Lesetätigkeit steigt die Spannung auf der aktiven Spaltenauswahlleitung CSL schnell an und weist somit eine kleine Anstiegszeitkonstant auf.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 12, der Zeilendekoder 20 weist Dekodiereinheiten RDU1 bis RDUn auf, die für die jeweiligen Speicherzellenzeilen entsprechend vorgesehen sind. Jede der Dekodiereinheiten RDU1 bis RDUn empfängt die Zeilenadresse RA und aktiviert seinen Ausgang zum Annehmen des L-Pegels, wenn die entsprechende Speicherzellenzeile ausgewählt ist.
Der Wortleitungstreiber 30 enthält einen Schreibwortleitungstreiberabschnitt 30W zum Steuern der Aktivierung der Schreibwortleitungen WWL1 bis WWLn und einen Lesewortleitungstreiberabschnitt 30R zum Steuern der Aktivierung der Lesewortleitungen RWL1 bis RWLn.
Der Schreibwortleitungstreiberabschnitt 30W enthält Treibergatter 210-1 bis 210-n, die jeweils entsprechend den Schreibwortleitungen WWL1-WWLn vorgesehen sind. Jedes Treibergatter 210-1 bis 210-n ist aus einem NOR-Gatter gebildet, das die Stromversorgungsspannung Vcc2 und die Massespannung Vss zum Betreiben empfängt. Die Treibergatter 210-1 bis 210-n betreiben die Schreibwortleitungen WWL1 bis WWLn gemäß den Ausgaben (Resultate der Dekodierung) der entsprechenden Dekodiereinheiten RDU1 bis RDUn und dem Steuersignal WR2.
Das Steuersignal /WR2 wird aktiviert zum Annehmen des L-Pegels während einer Periode entsprechend der Periode des aktiven Zustandes der Schreibwortleitung WWL in der ausgewählten Zeile während der Datenschreibtätigkeit. Während der Periode, die nicht die obige ist, ist das Steuersignal /WR2 inaktiv und auf dem H-Pegel. Die Steuersignale /WR1, /WR2 und /RE werden zum Beispiel durch die Steuerschaltung 5 erzeugt. Wenn der Datenschreibbetrieb gestartet wird, werden die Steuersignale /WR1 und /WR2 aktiviert (ändern sich vom H-Pegel auf den L-Pegel) gemäß dem gleichen Zeitpunkt. Wenn jedoch die Datenschreibtätigkeit endet, wird das Steuersignal /WR2 inaktiviert (ändert sich von dem L-Pegel zu dem H-Pegel) und danach wird das Steuersignal /WR1 inaktiviert.
Dadurch wird die Schreibwortleitung WWL, die der ausgewählten Zeile entspricht, auf die Stromversorgungsspannung Vcc2 (H- Pegel) zum Durchlassen des Datenschreibstromes Ip während einer Periode des L-Pegels des Steuersignales WR2 getrieben. Die Schreibwortleitungen WWL in den nichtausgewählten Zeilen werden jedoch auf der Massespannung Vss (L-Pegel) gehalten. Für Perioden, die die Periode der Datenlesetätigkeit enthalten aber nicht die Datenschreibtätigkeit enthalten, ist das Steuersignal /WE auf den H-Pegel gesetzt, und jede Schreibwortleitung WWL ist inaktiv und auf die Massespannung Vss gesetzt.
Der Lesewortleitungstreiberabschnitt 30R enthält Treibergatter 220-1 bis 220-n, die entsprechend für die Lesewortleitungen RWL1 bis RWLn jeweils vorgesehen sind. Jedes Treibergatter 220-1 bis 220-n ist aus einem NOR-Gatter gebildet, das die Stromversorgungsspannung Vcc1 und die Massespannung Vss für den Betrieb empfängt. Die Treibergatter 220-1 bis 220-n treiben die Lesewortleitungen RWL1 bis RWLn gemäß den Ausgängen (Resultate der Dekodierung) der entsprechenden Dekodiereinheiten RDU1 bis RDUn und dem Steuersignal /RE.
Bei der Datenlesetätigkeit, die ausgeführt wird mit dem Steuersignal /RE auf dem L-Pegel, wird die Lesewortleitung RWL entsprechend der ausgewählten Zeile auf den H-Pegel (Stromversorgungsspannung Vcc1) zum Einschalten des Zugriffstransistors ATR getrieben. Die Lesewortleitungen RWL in den nichtausgewählten Zeilen werden auf der Massespannung Vss (L-Pegel) gehalten. Für Perioden, die die Perioden der Datenschreibtätigkeit enthalten aber nicht die Datenlesetätigkeit enthalten, wird das Steuersignal /RE auf den H-Pegel gesetzt, und jede Lesewortleitung RWL ist inaktiv und auf die Massespannung Vss gesetzt.
Obwohl ist in Fig. 12 nicht gezeigt ist, sind Dekodiereinheiten und Treibergatter ähnlich wie jene für die Lesewortleitungen RWL für die Blindlesewortleitungen DRWL1 und DRWL2 angeordnet.
Fig. 13A und 13B sind Betriebswellenformbilder, die die Datenlesetätigkeit und die Datenschreibtätigkeit gemäß der zweiten Ausführungsform darstellen.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 13A, die Datenlesetätigkeit startet als Reaktion auf ein Lesebefehl, der gemäß dem Aktivierungszeitpunkt des Taktsignales CLK angelegt wird.
Wenn die Datenlesetätigkeit startet, werden die Lesewortleitung RWL in der ausgewählten Zeile und die Spaltenauswahlleitung CSL in der ausgewählten Spalte als Reaktion auf die gelieferte Zeilenadresse RA und Spaltenadresse CA aktiviert. Die Reihenfolge der Aktivierung der Lesewortleitung RWL und der Spaltenauswahlleitung CSL ist nicht besonders beschränkt, und diese Leitungen werden gemäß dem schnellsten Zeitpunkt zum Erzielen eines schnellen Zugriffes aktiviert.
Insbesondere treibt jede Treibereinheit DVU1 bis DVUm in dem Spaltendekoder 25 die Spaltenauswahlleitung CSL durch den P- Kanal-MOS-Transistor 200 (Fig. 11) mit einem großen Treiberstrom. Wenn daher die Dekodiereinheit die Resultate des Dekodierens zu einer Zeit t0 sendet, steigt die Spaltenauswahlleitung CSL in der ausgewählten Spalte von dem L-Pegel auf den H- Pegel zu einer Zeit t1.
Bei der Datenlesetätigkeit wird jede Schreibwortleitung WWL auf dem Pegel der Massespannung Vss so gehalten, daß der Datenschreibstrom nicht mehr durchfließt. Für die Bitleitungen BL und /BL in der ausgewählten Spalte wird der konstante Lesestrom Is für die aktive Periode der Spaltenauswahlleitung CSL geliefert. Der Lesestrom Is fließt durch das Tunnelmagnetwiderstandselement in der ausgewählten Speicherzelle über den Zugriffstransistor, der als Reaktion auf die Aktivierung der Lesewortleitung RWL eingeschaltet ist. Daher tritt die Änderung in der Spannung, die bereits unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wurde, so auf, daß der Speicherdatenwert aus der ausgewählten Speicherzelle gelesen werden kann.
Wenn die Datenlesetätigkeit endet, wird die Spaltenauswahlleitung CSL in der ausgewählten Spalte zu einer Zeit t4 inaktiviert. Als Reaktion darauf endet die Lieferung des Lesestromes Is zu den Bitleitungen BL und /BL in der ausgewählten Spalte.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 13B, der Schreibbefehl wird gemäß dem Aktivierungszeitpunkt des Taktsignales CLK angelegt zum Starten der Datenschreibtätigkeit ähnlich wie bei der Datenlesetätigkeit.
Wenn die Datenschreibtätigkeit startet, wird die Schreibwortleitung WWL in der ausgewählten Zeile aktiviert zum Tragen des Datenschreibstromes Ip gemäß der angelegten Zeilenadresse RA. Der Datenschreibstrom Ip erreicht ein vorbestimmtes Niveau zu einer Zeit tw.
Die Spaltenauswahlleitung CSL in der ausgewählten Spalte wird langsam durch den P-Kanal-MOS-Transistor 202 (Fig. 11) mit einer kleinen Stromtreiberleistung getrieben. Daher ist die Anstiegszeitkonstante der Spaltenauswahlleitung CSL bei der Datenschreibtätigkeit größer als die bei der Datenlesetätigkeit gesetzt. Genauer, wenn die Dekodiereinheit Resultate des Dekodierens zu der Zeit t0 sendet, steigt die Spaltenauswahlleitung CSL von dem L-Pegel auf den H-Pegel zu einer Zeit t2 später als die Zeit t1. In Fig. 13A ist eine Betriebswellenform der Spaltenauswahlleitung in der ausgewählten Spalte während des Datenschreibens durch eine gestrichelte Linie zum Vergleich angegeben.
Dadurch starten die Datenschreibströme +-Iw, die durch die Bitleitung BL und /BL in der ausgewählten Spalte fließen, langsam zu fließen gemäß der Treibergeschwindigkeit der Spaltenauswahlleitung CSL, wenn der Datenschreibbetrieb startet. Genauer, die durch die Bitleitungen BL und /BL in der ausgewählten Spalte fließenden Datenschreibströme +-Iw erreichen die vorbestimmten Niveaus zu einer Zeit t2 später als die Zeit tw, zu der der Datenschreibstrom Ip das vorbestimmte Niveau erreicht. Mit andern Worten, die Treiberleistung der Spaltenauswahlleitung CSL bei der Datenschreibtätigkeit, d. h. der in Fig. 11 gezeigte Betriebsstrom I1 ist so ausgelegt, daß die Spaltenauswahlleitung CSL gemäß der obigen Zeitabfolge aktiviert werden kann.
Aufgrund des obigen Aufbaues kann das Datenschreibmagnetfeld in der Richtung der weichen Achse an das Tunnelmagnetwiderstandselement in der ausgewählten Speicherzelle nach dem Anlegen des Datenschreibmagnetfeldes in der Richtung der harten Achse angelegt werden, wenn der Datenschreibbetrieb gestartet wird.
Wenn der Datenschreibbetrieb zu beenden ist, wird die Schreibwortleitung WWL in der ausgewählten Zeile inaktiviert zu einer Zeit t3 vor einer Zeit t4, an der die Spaltenauswahlleitung CSL in der ausgewählten Spalte inaktiviert wird, und somit endet die Lieferung der Datenschreibströme +-Iw an die Bitleitungen BL und /BL in der ausgewählten Spalte. Dadurch endet die Lieferung des Datenschreibstromes Ip. Genauer, der Zeitpunkt der Inaktivierung des Steuersignales /WR1, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, wird gemäß der Zeit t4 eingestellt, und der Zeitpunkt der Inaktivierung des Steuersignales /WR2, was in Fig. 12 gezeigt ist, wird gemäß der Zeit t3 eingesetzt. Der Zeitpunkt der Aktivierung der Steuersignale /WR1 und /WR2 wird gemäß der Zeit t0 gesetzt.
Dadurch kann an dem Ende der Datenschreibtätigkeit solch eine Periode vorgesehen werden, daß das Datenschreibmagnetfeld auf einem vorbestimmten Niveau in der Richtung der weichen Achse gehalten wird, und das Datenschreibmagnetfeld in der Richtung der harten Achse nimmt ab.
Fig. 14 zeigt grundsätzlich ein Verhalten des Tunnelmagnetwiderstandselementes bei der Datenschreibtätigkeit gemäß der zweiten Ausführungsform.
Es wird auf (a) in Fig. 14 Bezug genommen, die freie Magnetschicht in dem Tunnelmagnetwiderstandselement wird in eine bestimmte Richtung (nach rechts (a) in Fig. 14) entlang der weichen Achse vor der Zeit t0 des Starts der Datenschreibtätigkeit (t < t0) magnetisiert. Die Beschreibung wird nun für die Datenschreibtätigkeit gegeben, bei der die Magnetisierungsrichtung bei (a) in Fig. 14 in die entgegengesetzte Richtung überschrieben wird.
Es wird Bezug genommen auf (b) in Fig. 14, der durch die Schreibwortleitung (WWL) fließende Datenschreibstrom Ip legt ein Datenschreibmagnetfeld Hh entlang der harten Achse (HA) während einer Periode (t = t0 bis t1) von der Zeit t0 bis zu der Zeit t1 an. Dadurch beginnt die Magnetisierungsrichtung der freien Magnetschicht, langsam zu drehen.
Während einer Periode (t = t1 bis t2) von der Zeit t1 bis zu der Zeit t2 wird, wie bei (c) in Fig. 14 gezeigt ist, das Datenschreibmagnetfeld Hh auf einen vorbestimmten Niveau in der Richtung der harten Achse gehalten, und weiter wird ein Datenschreibmagnetfeld He in der Richtung der weichen Achse zum Invertieren der Magnetisierungsrichtung der freien Magnetschicht angelegt. Wenn die Summe der Datenschreibmagnetfelder Hh und He einen Bereich außerhalb der charakteristischen Sternlinie erreicht, die in Fig. 29 gezeigt ist, wird die Richtung der Magnetisierung der freien Magnetschicht von der Richtung, die durch einen Pfeil mit gestrichelter Linie gezeigt ist, in die Richtung neu geschrieben, die durch einen Pfeil mit durchgezogener Linie bezeichnet ist.
Während einer Periode (t = t3 bis t4) von der Zeit t3 bis zu der Zeit t4 wird, wie bei (d) in Fig. 14 gezeigt ist, das Datenschreibmagnetfeld He auf einem vorbestimmten Niveau in der Richtung der weichen Achse gehalten, und das Datenschreibmagnetfeld Hh in der Richtung der harten Achse nimmt ab. Daher ändert sich die Vektorsumme der Datenschreibmagnetfelder Hh und He und dreht sich in die Richtung, wie bei (c) in Fig. 14 gezeigt ist, wenn die Datenschreibtätigkeit endet.
Wie bei (e) in Fig. 14 gezeigt ist, wird durch Ändern der Datenschreibmagnetfelder Hh und He in der obigen Reihenfolge die Magnetisierungsrichtung der freien Magnetschicht stabil in die entgegengesetzte Richtung bei der Datenschreibtätigkeit überschritten, ohne daß ein unerwünschter Zwischenmagnetisierungszustand betreten wird.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 15, die Beschreibung wird nun für einen unerwünschten Zwischenmagnetisierungszustand der freien Magnetschicht bei der Datenschreibtätigkeit gegeben.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 15, Endbereiche 108 und 109 des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR weisen solche Eigenschaften auf, daß diese Bereiche nicht leicht als Reaktion auf das Magnetfeld entlang der weichen Achse magnetisiert werden, und die Richtung und der Betrag (Grad) der Magnetisierung ändert sich allmählich. Daher weisen die Endbereiche Eigenschaften auf, die unerwünscht für die Speicherzelle sind im Gegensatz zu einem Zentralbereich 107, in dem die Richtung und der Betrag der Magnetisierung auf eine binäre Weise als eine Reaktion auf das Magnetfeld entlang der weichen Achse bestimmt sind.
In der freien Magnetschicht des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR wird, wie in (a) und (b) in Fig. 15 gezeigt ist, der Zentralbereich entlang der weichen Achse magnetisiert, und insbesondere in der Richtung, die von dem Niveau der Schreibdaten nach der Magnetisierung der Endbereiche 108 und 109 in einer Richtung entlang der harten Achse abhängt, wodurch die freie Magnetschicht stabile Magnetisierungseigenschaften aufweisen kann.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Aktivierung der Spaltenauswahlleitung CSL von der Aktivierung der Schreibwortleitung WWL verzögert sein, wodurch das Datenschreibmagnetfeld in der Richtung der harten Achse vor dem Datenschreibmagnetfeld in der Richtung der weichen Achse angelegt wird. Dadurch können die Magnetisierungsrichtungen in den Endbereichen 108 und 109 des Tunnelmagnetwiderstandselementes TMR in eine gleichförmige Richtung gesetzt werden (nach oben bei (a) und (b) in Fig. 15), und danach kann die Magnetisierung in Richtung der weichen Achse stabil in dem Zentralbereich 107 invertiert werden.
Im Gegensatz dazu, wenn die Spaltenauswahlleitung CSL im wesentlichen gleichzeitig mit oder vor der Schreibwortleitung WWL aktiviert wird, geht die freie Magnetschicht in einen multistabilen Zustand und wird in irregulären Richtungen magnetisiert, was den Zwischenzustand verursacht, der nicht der gewünschte stabile Zustand ist, wie bei (c), (d) und (e) in Fig. 15 gezeigt ist.
Als Resultat kann die Magnetisierungsrichtung der freien Magnetschicht nicht gleichförmig nach dem Datenschreiben sein und nimmt nicht den in (a) oder (b) in Fig. 15 gezeigten gewünschten Zustand an. Daher kann eine gewünschte elektrische Widerstandsdifferenz entsprechend der Differenz in den Niveaus der Speicherdaten nicht bei der Speicherzelle sichergestellt werden, die die geschriebenen Daten hält. Dieses verursacht eine Fehlfunktion und beeinträchtigt die Betriebsstabilität des MRAM-Bauelementes.
Wie bereits beschrieben ist, kann durch Liefern des Datenschreibstromes gemäß der zweiten Ausführungsform das Datenschreibmagnetfeld in der Richtung der harten Achse schneller erzeugt oder entfernt werden als das Datenschreibmagnetfeld in der weichen Achse, wenn die Datenschreibtätigkeit gestartet und geendet wird. Dadurch kann das Datenschreiben stabil in Hinblick auf die Magnetisierungseigenschaften der MTJ- Speicherzelle ausgeführt werden.
Die Treiberleistung der Spaltenauswahlleitung CSL entsprechend der ausgewählten Spalte kann zwischen jenen für die Datenlesetätigkeit und die Datenschreibtätigkeit geschaltet werden. Dadurch kann die Spaltenauswahlleitung CSL entsprechend der ausgewählten Spalte schnell gemäß dem frühesten Zeitpunkt bei der Datenlesetätigkeit aktiviert werden, so daß die Betriebsgeschwindigkeit vergrößert werden kann. Auch bei der Datenschreibtätigkeit kann das Datenschreiben stabil ausgeführt werden, während der magnetisch unstabile Zwischenzustand vermieden wird. Somit können sowohl das stabile Datenschreiben als auch das schnelle Datenlesen erzielt werden.
Obwohl das in Fig. 14 und 15 gezeigte Tunnelmagnetwiderstandselement eine rechteckige Form aufweist, kann das Tunnelmagnetwiderstandselement eine abgeschrägte Form aufweisen, wie bereits bei der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist.
Auch in diesem Fall ist das Magnetisierungsverhalten bei der Datenschreibtätigkeit das gleiche, wie es bereits beschrieben wurde.
Das Speicherfeld 10 kann einen Aufbau anders als der in Fig. 7 gezeigte zum Liefern des Datenschreibstromes gemäß der zweiten Ausführungsform aufweisen. Zum Beispiel kann die zweite Ausführungsform in einem Speicherfeld eines Aufbaues verwendet werden, wie in Fig. 16 gezeigt ist, bei dem jede Schreibwortleitung WWL nicht elektrisch mit der MTJ-Speicherzelle verbunden ist, sondern der Zugrifftransistor ATR und das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR in Reihe zwischen der Bitleitung BL und einem Versorgungsknoten der Massespannung Vss geschaltet sind.
Das Datenlesen und das Datenschreiben kann ähnlich in solch einem Aufbau ausgeführt werden, daß die Spaltenauswahlleitungen CSL, die dem Schreiben zugeordnet sind, unabhängig von den Spaltenauswahlleitungen CSL, die dem Lesen zugeordnet sind, verwendet werden.

Dritte Ausführungsform

Eine dritte Ausführungsform wird nun in Zusammenhang mit einem Aufbau zum Anwenden eines Seitenmodusbetriebes (page modus) beschrieben, der bei einem dynamischen Direktzugriffspeicher benutzt wird, auf ein MRAN-Bauelement beschrieben.
Fig. 17 ist ein Betriebswellenformbild, das einen Seitenmodusbetrieb zum kontinuierlichen Ausführen des Datenlesens darstellt.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 17, ein Einheitsbetriebszyklus des Seitenmodusbetriebes enthält einen Zeilenzyklus zum Empfangen einer Zeilenadresse, die für die Zeilenauswahl benutzt wird, eine Mehrzahl von Spaltenzyklen zum kontinuierlichen Zugreifen auf eine Mehrzahl von Spalten, während die Zeilenauswahl behalten wird, die in dem Zeilenzyklus durchgeführt wurde. In jedem Spaltenzyklus wird die Datenlesetätigkeit oder die Datenschreibtätigkeit befohlen, und eine Spaltenadresse, die das Ziel des Datenlesens oder des Datenschreibens bezeichnet, wird eingegeben.
Jeder der Zeilen- und Spaltenzyklen startet als Reaktion auf das Taktsignal CLK. In dem Zeilenzyklus wird die Zeilenadresse RA zum Ausführen der Zeilenauswahl eingegeben. Zum Beispiel ist das Speicherfeld 10 in eine Mehrzahl von Bänken unterteilt, und eine Bankadresse BA wird weiter zusammen mit der Zeilenadresse RA eingegeben, wenn die Bankauswahl weiter zum Bestimmen der ausgewählten Zeile benötigt wird.
Als Reaktion auf den Pegel des Steuersignales /WE, das in dem Zeilenzyklus eingegeben wird, wird bestimmt, welcher Betrieb zwischen dem Datenlesen und dem Datenschreiben in den folgenden Spaltenzyklen auszuführen ist. In Fig. 17 wird, da das Steuersignal /WE auf dem H-Pegel ist, wenn das Taktsignal CLK in dem Zeilenzyklus aktiv wird, die Datenlesetätigkeit in jedem der folgenden Spaltenzyklen ausgeführt. In jedem Spaltenzyklus wird eine Spaltenzyklussignal /CC so aktiviert, daß es den L-Pegel während einer vorbestimmten Periode annimmt, auf der Grundlage des Taktsignales CLK. Bei dem Beispiel des in Fig. 17 gezeigten Betriebes wird das Datenlesen kontinuierlich in den Spaltenzyklen durchgeführt. In den Zeilenzyklus wird die Lesewortleitung RWL in der ausgewählten Zeile zum Ändern seines Pegels von dem L-Pegel auf den H-Pegel als Reaktion auf die Zeilenadresse RA (und Bankadresse BA) aktiviert. Die Aktivierung der Lesewortleitung RWL in der ausgewählten Zeile wird innerhalb des gesamten Einheitsbetriebszyklus gehalten.
In einem Spaltenzyklus #1 wird das Steuersignal /WE auf den H- Pegel während einer vorbestimmten Periode gesetzt. Weiter wird die Spaltenadresse CA1, die das Datenleseziel darstellt, eingegeben. Als Reaktion auf die Spaltenadresse CA1 wird die Spaltenauswahlleitung CSL in der ausgewählten Spalte gemäß dem Zeitpunkt ähnlich zu dem in Fig. 13A gezeigten aktiviert. Als Reaktion darauf trägt die Bitleitung BL in der ausgewählten Spalte den Lesestrom Is, der durch das Tunnelmagnetwiderstandselement in der ausgewählten Speicherzelle fließen soll. Dadurch kann der Speicherdatenwert aus der ausgewählten Speicherzelle entsprechend der Zeilenadresse RA (und der Bankadresse BA) und der Spaltenadresse CA gelesen werden.
In einem Spaltenzyklus #2 werden die Daten entsprechend aus der ausgewählten Speicherzelle entsprechend der Spaltenadresse CA2 und der Zeilenadresse RA (und der Bankadresse BA) gelesen.
Fig. 18 ist ein Betriebswellenformbild, das den Seitenmodusbetrieb zum kontinuierlichen Ausführen des Datenschreibens darstellt.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 18, wenn die Datenschreibtätigkeit kontinuierlich in den Spaltenzyklen ausgeführt wird, wird das Steuersignal /WE in dem Zeilenzyklus auf den L-Pegel gesetzt. Als Reaktion darauf wird jede Lesewortleitung RWL in einem inaktiven Zustand (L-Pegel der Massespannung Vss) in dem Zeilenzyklus und jeden darauf folgenden Spaltenzyklus gehalten. Das Resultat der Zeilenauswahl, die als Reaktion auf die Zeilenadresse RA (und Bankadresse BA) ausgeführt wird, die in dem Zeilenzyklus angelegt werden, werden während des gleichen Einheitsbetriebszyklus gehalten.
In jedem Spaltenzyklus zum Ausführen des Datenschreibens wird das Steuersignal /WE auf den L-Pegel während einer vorbestimmten Periode gesetzt. Die Aktivierung der Schreibwortleitung WWL in der ausgewählten Zeile, die der Zeilenadresse RA (und der Bankadresse BA) entspricht, die während des Zeilenzyklus angelegt sind, wird in jedem Spaltenzyklus gesteuert.
Zum Beispiel wird das Spaltenzyklussignal /CC und ein verzögertes Signal des Steuersignales /WE benutzt, und die Schreibwortleitung WWL in der ausgewählten Zeile wird aktiviert zum Tragen des Datenschreibstromes Ip während einer vorbestimmten Periode (von der Zeit t0 zu der Zeit t4 in Fig. 18) in dem Spaltenzyklus #1, der das Ausführen der Datenschreibtätigkeit enthält. In Perioden, die nicht die obigen sind, ist die Schreibwortleitung WWL in der ausgewählten Zeile inaktiviert, und die Lieferung des Datenschreibstromes endet. Genauer, wenn der Zeilenzyklus und jeder Spaltenzyklus enden, wird jede Lesewortleitung WWL inaktiviert, und die Lieferung des Datenschreibstromes Ip stoppt zeitweilig.
Es ist daher möglich, die Möglichkeit von fehlerhaftem Datenschreiben in dem Einheitsbetriebszyklus des Seitenmodusbetriebes im Vergleich mit dem Aufbau zu verringern, der die Aktivierung der Schreibwortleitung WWL in der ausgewählten Zeile beibehält. Mit andern Worten, wenn die Aktivierung der Schreibwortleitung in der ausgewählten Zeile aufrechterhalten würde, würde das Magnetfeld an dem vorbestimmten Niveau in der Richtung der harten Achse kontinuierlich an jede MTJ- Speicherzelle in der ausgewählten Zeile angelegt. Dies würde in der Möglichkeit resultieren, daß ein fehlerhaftes Datenschreiben verursacht wird selbst bei magnetischem Rauschen kleiner Intensität.
In dem Spaltenzyklus #1 wird die Spaltenadresse CA1 als Adreßsignal ADD gemäß dem Zeitpunkt der Aktivierung des Taktsignales CLK eingegeben, und das Steuersignal /WE wird auf den L- Pegel gesetzt. Dadurch werden die Aktivierung der Spaltenauswahlleitung CSL entsprechend der Spaltenadresse /CA1 und das Liefern des Datenschreibstromes Ip für die Schreibwortleitung WWL gemäß einem Zeitpunkt ähnlich zu dem bereits unter Bezugnahme auf Fig. 17 beschriebenen ausgeführt. Daher wird die Datenschreibtätigkeit in dem Spaltenzyklus #1 ähnlich zu dem in Fig. 13B ausgeführt, und das Datenschreibmagnetfeld in der Richtung der harten Achse kann schneller als das Datenschreibmagnetfeld in der Richtung der weichen Achse erzeugt oder entfernt werden, wenn die Datenschreibtätigkeit startet oder endet. Dadurch kann das Datenschreiben stabil in Hinblick auf die Magnetisierungseigenschaften der MTJ-Speicherzelle ausgeführt werden.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 19, der Wortleitungstreiber 30 gemäß der dritten Ausführungsform enthält Verriegelungsschaltungen 260-1 bis 260-n zum Verriegeln der Resultate der Dekodierung durch die Dekodiereinheiten RDU1 bis RDUn, den Lesewortleitungstreiberabschnitt 30R und den Schreibwortleitungstreiberabschnitt 30W.
Die Verriegelungsschaltungen 260-1 bis 260-n verriegeln Ausgaben (Resultate der Dekodierung) der Dekodiereinheiten RDU1 bis RDUn als Reaktion auf ein Steuersignal RC, das gemäß einem vorbestimmten Zeitpunkt in dem Zeilenzyklus aktiv wird. Dadurch halten die Verriegelungsschaltungen 260-1 bis 260-n die Resultate der Zeilenauswahl entsprechend der Zeilenadresse RA (und der Bankadresse BA), das in dem Zeilenzyklus angelegt wird, innerhalb des gleichen Einheitsbetriebszyklus.
Der Lesewortleitungstreiberabschnitt 30R weist weiter eine Verriegelungsschaltung 250 zusätzlich zu den in Fig. 12 gezeigten Treibergattern 220-1 bis 220-n auf. Die Verriegelungsschaltung 250 hält den Signalpegel des Steuersignales WE (d. h. das invertierte Signal von /WE), das in dem Zeilenzyklus angelegt wird, als Reaktion auf das Steuersignal RC.
Die in der Verriegelungsschaltung 250 und jeder der Verriegelungsschaltungen 260-1 bis 260-n gehaltenen Inhalte werden in jedem Zeilenzyklus innerhalb eines neuen Einheitsbetriebszyklus erneuert.
Jedes der Treibergatter 220-1 bis 220-n steuert die Aktivierung der entsprechenden Lesewortleitung RWL als Reaktion auf das Resultat der Zeilenauswahl, das in den entsprechenden Verriegelungsschaltungen 260-1 ist 260-n gehalten wird, und das Steuersignal WE, das in der Verriegelungsschaltung 250 gehalten wird. Wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 17 und 18 beschrieben wurde, wird daher der inaktive Zustand (L-Pegel) einer jeden Lesewortleitung RWL in dem gegenwärtigen Zeilenzyklus und dem folgenden Spaltenzyklus gehalten, wenn das Steuersignal /WE auf den L-Pegel (WE = "H") in dem Zeilenzyklus gesetzt ist.
Wenn das Steuersignal /WE auf den H-Pegel in dem Zeilenzyklus gesetzt ist, wird der aktive Zustand (H-Pegel) der Lesewortleitung RWL in der ausgewählten Zeile in dem gegenwärtigen Zeilenzyklus und dem folgenden Spaltenzyklus gehalten. Die Steuerung der Aktivierung der Lesewortleitung RWL wird als Reaktion auf das Steuersignal RC in jedem neuen Zeilenzyklus geändert. Obwohl es nicht in Fig. 19 gezeigt ist, wird ein ähnlicher Aufbau für die Blindlesewortleitungen DRWL1 und DRWL2 verwendet.
Der Schreibwortleitungstreiberabschnitt 30W gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem in Fig. 12 gezeigten Schreibwortleitungstreiberabschnitt dadurch, daß Schalttransistoren 212-1 bis 212-n und eine Verzögerungszeit 255 weiter verwendet werden.
Die Verzögerungsschaltung 255 verzögert das Steuersignal /WE um eine vorbestimmte Zeit zum Ausgeben eines Steuersignales /WEd. Weiterhin liefern die Schalttransistoren 212-1 bis 212-n einen Betriebsstrom an die Treibergatter 210-1 bis 210-n als Reaktion auf das in Fig. 17 bzw. 18 gezeigte Spaltenzyklussignal /CC.
Jedes der Treibergatter 210-1 bis 210-n steuert die Aktivierung der entsprechenden Schreibwortleitung WWL als Reaktion auf das Resultat der Zeilenauswahl, das in den entsprechenden Verriegelungsschaltungen 260-1 bis 260-n gehalten wird, die gemeinsam von dem Lesewortleitungstreiberabschnitt 30R benutzt werden, und des Steuersignales /WEd, das von der Verzögerungsschaltung 255 geliefert wird. Die Verzögerungszeit in der Verzögerungsschaltung 255 wird in Hinblick auf den bevorzugten Lieferzeitpunkt des Datenschreibstromes Ip bestimmt, d. h. der Zeit t0 und t3, die in Fig. 18 gezeigt sind.
Aufgrund des obigen Aufbaues kann die Aktivierung der Schreib- und Lesewortleitungen WWL und RWL gemäß dem geeigneten Zeitpunkt zum Ausführen des in Fig. 17 und 18 gezeigten Seitenmodusbetriebes gesteuert werden. Für die Spaltenauswahlleitung CSL kann die Aktivierungssteuerung durch den Spaltendekoder durchgeführt werden, der einen Aufbau ähnlich zu dem der zweiten Ausführungsform aufweist.
Gemäß dem Aufbau der dritten Ausführungsform können, wie oben beschrieben wurde, sowohl das schnelle Datenlesen als auch das stabile Datenschreiben in Hinblick auf die Magnetisierungseigenschaften der MTJ-Speicherzelle in dem Seitenmodusbetrieb zum kontinuierlichen Ausführen entweder des Datenlesebetriebes oder des Datenschreibbetriebes durchgeführt werden.

Erste Modifikation der dritten Ausführungsform

Bei dem Seitenmodusbetrieb gemäß einer ersten Modifikation der dritten Ausführungsform steuert, wie in Fig. 20 gezeigt ist, der in Fig. 19 gezeigte Wortleitungstreiber das Aktivieren der Schreib- und Lesewortleitungen WWL und RWL, wodurch der Lieferzeitpunkt des Datenschreibstromes Ip ähnlich zu dem in Fig. 18 gezeigten Zeitpunkt gesetzt wird.
Der Seitenmodusbetrieb gemäß der ersten Modifikation der dritten Ausführungsform, die in Fig. 20 gezeigt ist, unterscheidet sich von dem des in Fig. 18 gezeigten dadurch, daß die Aktivierung der Spaltenauswahlleitung CSL in der ausgewählten Spalte in jedem Spaltenzyklus verzögert ist, der den Befehl des Datenschreibens enthält. Genauer, die Lieferung der Datenschreibströme +-Iw zum Erzeugen des Datenschreibmagnetfeldes in der Richtung der weichen Achse startet zu der Zeit tw, und der Pegel davon nimmt auf einen vorbestimmten Pegel zu der Zeit t2 zu.
Wenn die Datenschreibtätigkeit endet, wird die Zeit der Inaktivierung der Spaltenauswahlleitung CSL auf die Zeit t4 später als die Zeit t3 gesetzt, daß die Zeit der Inaktivierung der Schreibwortleitung WWL ist.
Der Datenschreibbetrieb in einem folgenden Spaltenzyklus #2 wird auf der ausgewählten Speicherzelle durchgeführt, die der Spaltenadresse CA2, die in dem gleichen Spaltenzyklus angelegt ist, und der Zeilenadresse RA (und Bankadresse BA), die in dem Zeilenzyklus angelegt ist, entspricht ähnlich zu dem Spaltenzyklus #1.
Gemäß der obigen Datenschreibtätigkeit und insbesondere in dem Spaltenzyklus zum Ausführen des Datenschreibens startet und endet das Liefern der Datenschreibströme +-Iw zum Erzeugen des Datenschreibmagnetfeldes in der Richtung der weichen Achse gemäß dem Zeitpunkt, der von dem Start und dem Ende des Lieferns des Datenschreibstromes Ip zum Erzeugen des Datenschreibmagnetfeldes in der Richtung der harten Achse verzögert ist.
Wie bereits beschrieben wurde, weisen die für die entsprechenden Spaltenauswahlleitungen vorgesehenen Treibereinheiten den gleichen Aufbau auf, und daher zeigt Fig. 21 repräsentativ einen Aufbau der Treibereinheit DVU1 entsprechend der Spaltenauswahlleitung CSL1.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 21, die Treibereinheit DVU1 gemäß der ersten Modifikation in der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Aufbau der in Fig. 11 gezeigten Treibereinheit darin, daß weiter eine Verzögerungsschaltung 265 verwendet wird.
Die Verzögerungsschaltung 265 verzögert das Steuersignal /WEd, das von der in Fig. 20 gezeigten Verzögerungsschaltung 255 geliefert wird, weiter um eine vorbestimmte Zeit ΔT zum Ausgeben eines Steuersignales /WEdd. Das Steuergatter 206 gibt Resultate einer logischen AND-Verknüpfung zwischen den Steuersignalen /RE und /WEdd aus. Das Steuergatter 208 legt die Resultate der logischen OR-Verknüpfung zwischen den Ausgaben der Dekodiereinheit CDU1 und dem Logikgatter 206 an jeweils die Gates des P- und des N-Kanal-MOS-Transistors 201 und 204 ähnlich zu dem in Fig. 11 gezeigten Aufbau an.
Bei dem in Fig. 21 gezeigten Aufbau ist die Stromtreiberleistung des P-Kanal-MOS-Transistors 202 ähnlich zu der Stromtreiberleistung (Betriebsstrom 12 in Fig. 11) des P-Kanal- MOS-Transistors 200 ausgelegt. Daher wird die Treiberleistung (Betrag der Stromlieferung) der Spaltenauswahlleitung CSL, die bei der Datenschreibtätigkeit aktiv ist, ähnlich gesetzt zu der bei der Datenlesetätigkeit. Folglich sind die Anstiegsrate der Spannung auf der aktiven Spaltenauswahlleitung und somit die Anstiegszeitkonstante im wesentlichen gleichförmig sowohl bei der Datenschreibtätigkeit als auch der Datenlesetätigkeit.
Bei jedem Spaltenzyklus, der den Befehl der Datenschreibtätigkeit enthält, wird die Spaltenauswahlleitung CSL in der ausgewählten Spalte schnell aktiviert zum Erreichen der Stromversorgungsspannung Vcc, oder schnell inaktiviert zum Erreichen der Massespannung Vss als Reaktion auf das Steuersignal /WEdd mit einer Verzögerungszeit ΔT von der Aktivierung oder Inaktivierung der Schreibwortleitung WWL in der ausgewählten Zeile. Die vorbestimmte Zeit ΔT in der Verzögerungsschaltung 265 wird in Hinblick auf eine Differenz zwischen der Zeit t0 und der Zeit tw in Fig. 20 und einer Differenz zwischen der Zeit t3 und der Zeit t4 so eingestellt, daß die Datenschreibströme Ip und +-Iw gemäß der in Fig. 20 gezeigten Zeit geliefert werden können. Die Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltungen 255 und 265 können geeignet so bestimmt werden, daß beide Verzögerungsschaltungen 255 und 265 gemeinsam das Steuersignal /WE benutzen können.
Bei der Datenlesetätigkeit wird die Spaltenauswahlleitung CSL in der ausgewählten Spalte auf dem H-Pegel (Stromversorgungsspannung Vcc1) gemäß dem schnellsten Zeitpunkt aktiviert, der auf die Aktivierung (L-Pegel) des Steuersignales /RE reagiert.
Aufgrund des obigen Aufbaues kann, wenn der Seitenmodusbetrieb durchgeführt wird, das Datenschreibmagnetfeld in der Richtung der harten Achse entsprechend erzeugt oder entfernt werden schneller als das Datenschreibmagnetfeld in der Richtung der weichen Achse, wenn die Datenschreibtätigkeit beginnt oder endet in dem Spaltenzyklus, während dem das Datenschreiben ausgeführt wird. Dadurch kann ähnlich zu der ersten Modifikation der dritten Ausführungsform das Datenschreiben stabil ausgeführt werden in Hinblick auf die Magnetisierungseigenschaften der MTJ-Speicherzelle.

Zweite Modifikation der dritten Ausführungsform

Eine zweite Modifikation der dritten Ausführungsform wird nun in Zusammenhang mit einem Seitenmodusbetrieb beschrieben, der das Ausführen der Datenlesetätigkeit und der Datenschreibtätigkeit in gemischter Weise über eine Mehrzahl von Spaltenzyklen innerhalb eines Einheitsbetriebszyklus erlaubt.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 22, wenn der Einheitsbetriebszyklus bei dem Seitenmodusbetrieb gemäß der zweiten Modifikation der dritten Ausführungsform startet, wird zuerst der Zeilenzyklus zum Empfangen der angelegten Zeilenadresse RA (und Bankadresse BA) für die Zeilenauswahl durchgeführt ähnlich zu dem Seitenmodusbetriebe gemäß der dritten Ausführungsform und der ersten Modifikation davon. Das Resultat der Zeilenauswahl, das mit der Zeilenadresse RA (und der Bankadresse BA) durchgeführt wird, das in diesem Zeilenzyklus eingegeben wird, wird in dem gleichen Betriebszyklus gehalten. Auf der Grundlage des so gehaltenen Zeilenauswahlresultates wird die Lesewortleitung RWL aktiviert zum Erreichen des H-Pegels mit der Ausnahme für den Spaltenzyklus, in dem der Datenschreibbetrieb befohlen wird.
In jedem Spaltenzyklus wird das Steuersignal /WE auf den L- Pegel während einer vorbestimmten Periode gesetzt, wenn der Datenschreibbetrieb befohlen ist.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 23, der Lesewortleitungstreiberabschnitt 30R gemäß der zweiten Modifikation der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Lesewortleitungstreiberabschnitt gemäß der in Fig. 19 gezeigten dritten Ausführungsform dadurch, daß eine Pulserzeugungsschaltung 280 anstelle der Verriegelungsschaltung 250 verwendet wird. Die Pulserzeugungsschaltung 280 erzeugt einen Steuerpuls /WCC zum Bestimmen der aktiven Periode der Lesewortleitung RWL gemäß dem Pegel des Steuersignales /WE zu der Zeit der Aktivierung des Taktsignales CLK.
Es wird wieder auf Fig. 22 Bezug genommen, wenn das Steuersignal /WE auf dem H-Pegel zu der Zeit der Aktivierung des Taktsignales CLK in einem bestimmten Zyklus ist, wird der Steuerpuls /WCC auf den H-Pegel in dem gleichen Zyklus gehalten. In dem Spaltenzyklus, der den Befehl des Datenschreibens enthält, wird das Steuersignal /WE auf den L-Pegel zu der Zeit der Aktivierung des Taktsignales CLK so gesetzt, daß der Steuerpuls /WCC auf dem L-Pegel während einer vorbestimmen Zeitperiode gehalten, die der Zeit zwischen t0 und t4 in Fig. 22 entspricht. Diese vorbestimmte Periode hängt z. B. von der aktiven Periode des Steuersignales /WE ab.
Es wird wieder Bezug genommen auf Fig. 23, die Treibereinheiten 220-1 bis 220-n steuern die Aktivierung der entsprechenden Lesewortleitungen RWL als Reaktion auf das in den Verriegelungsschaltungen 260-1 bis 260-n gehaltenen Zeilenauswahlresultat bzw. das invertierte Signal des Steuersignales /WCC. Obwohl es nicht in Fig. 23 gezeigt ist, wird ein ähnlicher Aufbau für die Blindlesewortleitungen DRWL1 und DRWL2 verwendet.
Der Wortleitungstreiberabschnitt 30W weist einen Aufbau ähnlich zu dem in Fig. 19 gezeigten auf und steuert die Aktivierung der Schreibwortleitung WWL in der ausgewählten Zeile, die der Zeilenadresse RA (und der Bankadresse BA) entspricht, die in dem Zeilenzyklus angelegt ist, in jedem Spaltenzyklus.
Aufgrund des obigen Aufbaues wird die Lesewortleitung RWL in der ausgewählten Zeile entsprechend der Verriegelungsschaltung, die den L-Pegel Datenwert hält, zum Annehmen des H- Pegels während einer Periode mit Ausnahme einer vorbestimmten Periode in dem Spaltenzyklus, der den Befehl der Datenschreibtätigkeit enthält, aktiviert. Dieses vergrößert die Betriebsgeschwindigkeit in jedem Spaltenzyklus, der den Befehl der Datenlesetätigkeit enthält.
In den Spaltenzyklen #1 und #2, die den Befehl der Datenschreibtätigkeit enthalten, wird jede Lesewortleitung RWL inaktiviert, und die Datenschreibtätigkeit kann für die ausgewählte Speicherzelle durchgeführt werden, die der angelegten Spaltenadresse CA1 oder CA2 und der Zeilenadresse RA (und der Bankadresse BA) entspricht, die während des Zeilenzyklus ähnlich zu der dritten Ausführungsform und der ersten Modifikation davon angelegt werden.
Der Aktivierungszeitpunkt der Schreibwortleitung WWL muß gemäß dem Aufbau des Speicherfeldes 10 eingestellt werden. Bei dem Aufbau mit den Schreibwortleitungen WWL, die elektrisch von den entsprechenden MTJ-Speicherzellen isoliert sind, wie in Fig. 16 gezeigt ist, tritt kein nachteiliger Effekt auf, selbst wenn die Schreibwortleitung WWL mit dem Datenschreibstrom beliefert wird, während die Lesewortleitung RWL in der ausgewählten Zeile aktiv ist. Gemäß dem obigen Aufbau kann daher solch eine Konstruktion verwendet werden, daß Lese- und Schreibwortleitungen RWL und WWL in der ausgewählten Zeile während Perioden aktiv sind, die miteinander überlappen, wenn die Datenschreibtätigkeit beginnt.
Im Gegensatz zu dem obigen weist das in Fig. 7 gezeigte Speicherfeld einen Aufbau auf, bei dem der Strompfad, der sowohl das Tunnelmagnetwiderstandselement TMR als auch die Schreibwortleitung WWL enthält, als Reaktion auf das Einschalten des Zugriffstransistors ATR gebildet wird. Bei diesem Aufbau kann fehlerhaftes Datenschreiben auftreten, wenn die Lese- und Schreibwortleitungen RWL und WWL in der ausgewählten Zeile während Zeitperioden aktiv sind, die überlappende Abschnitte aufweisen. In diesem Speicherfeldaufbau wird daher solch eine Einstellung oder Konstruktion benötigt, daß die aktiven Perioden der lese- und Schreibwortleitungen RWL und WWL in der ausgewählten Zeile nicht miteinander überlappen.
Bei dem Aufbau gemäß der zweiten Modifikation der dritten Ausführungsform kann daher sowohl das schnelle Datenlesen als auch das stabile Datenschreiben, das in Hinblick auf die Magnetisierungseigenschaften der MTJ-Speicherzelle erzielt wird, in dem Seitenmodusbetrieb ausgeführt werden, was das mischen der Datenlesetätigkeit und der Datenschreibtätigkeit erlaubt.

Dritte Modifikation der dritten Ausführungsform

Eine dritte Modifikation der dritten Ausführungsform wird nun in Verbindung mit einem Aufbau zum weiteren Vergrößern der Geschwindigkeit der Datenlesetätigkeit in dem Seitenmodusbetrieb beschrieben, der die Datenlesetätigkeit und dei Datenschreibtätigkeit in gemischter Weise enthält.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 24, ein MRAM-Bauelement 2 gemäß der dritten Modifikation der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem MRAM-Bauelement 1, das in Fig. 1 gezeigt ist, darin, daß weiter eine Lesedatenverriegelungsschaltung 300 verwendet wird.
Die Lesedatenverriegelungsschaltung 300 verriegelt mindestens einen Abschnitt der Daten von m Bit, die von der Lese/Schreibsteuerschaltung 50 als Reaktion auf ein Steuersignal LS gelesen werden, das von der Steuerschaltung 5 erzeugt wird. Weiter gibt die Lesedatenverriegelungsschaltung 300 als Lesedaten DOUT mindestens einen unter der Mehrzahl von intern verriegelten Speicherdatenwerte gemäß einem Steuersignal RO aus, das von der Steuerschaltung geliefert wird, und die Resultate der Spaltenauswahl des Spaltendekoders 25.
Der Aufbau zum Schreiben der Schreibdaten DIN in die ausgewählte Speicherzelle in dem Speicherfeld 10 ist im wesentlichen der gleiche wie jener der dritten Ausführungsform und der ersten und der zweiten Modifikation davon, und daher wird die Beschreibung hier nicht wiederholt.
Bei dem Seitenmodusbetrieb gemäß der dritten Modifikation der dritten Ausführungsform wird, wie in Fig. 25 gezeigt ist, das Datenlesen für eine Zeile entsprechend der ausgewählten Zeile, die durch die eingegebene Zeilenadresse RA (und die Bankadresse BA) bezeichnet ist, während des Zeilenzyklus durchgeführt. Somit aktiviert der Lesewortleitungstreiberabschnitt 30R die Lesewortleitung RWL in der ausgewählten Zeile als Reaktion auf das Steuersignal /RC, das aktiviert wird zum Annehmen des L- Pegels während einer vorbestimmten Periode während des Lesezyklus.
In dem Lesezyklus werden die Spaltenauswahlleitungen CSL von M (M: ganze Zahl größer als 1 und nicht größer als m) in der Zahl entsprechend von mindestens einem Teil aller Speicherzellenspalten parallel aktiviert, und das Datenlesen wird parallel bei der Mehrzahl von Speicherzellen durchgeführt. Allgemein wird das Datenlesen in allen Speicherzellenspalten oder in den ungeraden oder den geraden Spalten durchgeführt.
Die Lese/Schreibsteuerschaltung 50 ist so ausgelegt, daß die Lieferung des Lesestromes Is und das Lesen des Speicherdatenwertes parallel für die M Speicherzellenspalten durchgeführt werden kann, die simultan ausgewählt sind. Zum Beispiel muß der Aufbau für die in Fig. 8 gezeigte Lesedatenschaltung 51R in M Abschnitte gleich der Zahl der Speicherzellenspalten unterteilt werden, die simultan zu aktivieren sind. Bei der Form dieser Modifikation wird angenommen, daß alle Daten für eine Zeile parallel ausgelesen werden, und somit ist M = m.
Gemäß dem Zeitpunkt des Erzeugens der m Lesedaten entsprechend der ausgewählten Zeile durch die Lese/Schreibsteuerschaltung 50 aktiviert die Steuerschaltung 5 das Steuersignal LS während einer vorbestimmten Periode. Als Reaktion darauf verriegelt die Lesedatenverriegelungsschaltung 300 die gelesenen Speicherdaten von m in der Zahl.
In dem folgenden Spaltenzyklus #1, der den Befehl der Datenschreibtätigkeit enthält, wird das Steuersignal /WE auf den L- Pegel während einer vorbestimmten Periode gesetzt, die die Aktivierung des Taktsignales CLK enthält. Weiter wird die Spaltenadresse CA1 zum Darstellen des Datenschreibzieles eingegeben.
Als Reaktion darauf werden die Datenschreibströme +-Iw und Ip zum stabilen Magnetisieren der ausgewählten Speicherzelle geliefert, die der Zeilenadresse RA (und der Bankadresse BA) und der Spaltenadresse CA entspricht, gemäß dem Pegel der Schreibdaten ähnlich zu der dritten Ausführungsform und der ersten und der zweiten Modifikation davon.
In dem Spaltenzyklus #2, der den Befehl der Datenlesetätigkeit enthält, wird das Steuersignal /WE auf dem H-Pegel gemäß der Aktivierungszeit des Taktsignales CLK gesetzt. Ebenfalls wird die Spaltenadresse CA2, die das Datenleseziel anzeigt, eingegeben.
In dem Spaltenzyklus #2 aktiviert die Steuerschaltung 5 ein Steuersignal RO zum Annehmen des H-Pegels während einer vorbestimmten Periode. Als Reaktion darauf wählt die Lesedatenverriegelungsschaltung 300 einen Speicherdatenwert entsprechend der empfangene Spaltenadresse CA2 aus den m- Speicherdatenwerten, die in dem Zeilenzyklus verriegelt sind, auf der Grundlage des Resultates der Spaltenauswahl des Spaltendekoders 25 und gibt die ausgewählten Daten als Lesedaten DOUT aus.
Aufgrund des obigen Aufbaues kann die Datenlesetätigkeit in jedem Spaltenzyklus mit vergrößerter Geschwindigkeit durchgeführt werden, da es nicht notwendig ist, die Änderung der Spannung auf der Bitleitung zu erfassen, die durch den Leseström Is verursacht wird, der durch die ausgewählte Speicherzelle fließt.
In jedem Spaltenzyklus werden alle Lesewortleitungen RWL inaktiviert zum Annehmen des L-Pegels. Daher kann selbst in dem Spaltenzyklus, der den Befehl der Datenschreibtätigkeit enthält, die Schreibwortleitung WWL gemäß dem schnellsten Zeitpunkt aktiviert werden, und die Datenschreibtätigkeit kann schnell gestartet werden.
Gemäß dem Aufbau der dritten Modifikation der dritten Ausführungsform kann die Lesemodustätigkeit, die bereits in Zusammenhang mit der dritten Ausführungsform und der ersten und der zweiten Modifikation beschrieben worden ist, noch schneller durchgeführt werden, während die Datenlesetätigkeit und die Datenschreibtätigkeit in gemischter Weise durchgeführt werden.
Der bereits in Zusammenhang mit der dritten Ausführungsform und der ersten und der zweiten Modifikation davon beschriebene Seitenmodusbetrieb kann entsprechend auf einen Aufbau angewendet werden, bei dem Spaltenauswahlleitungen zum Lesen unabhängig von jenen zum Schreiben sind.

Claims

1. Dünnfilmmagnetspeicherbauelemente mit:
einer Mehrzahl von Speicherzellen (MC), von denen jede einen Magnetspeicherabschnitt (TMR) aufweist mit einem elektrischen Widerstand,
der gemäß einer Magnetisierungsrichtung variiert, die als Reaktion auf die Anlegung eines vorbestimmten Datenschreibmagnetfeldes überschreibbar ist, das durch einen ersten und einen zweiten Datenschreibstrom (Ip, Iw) verursacht wird;
einer ersten Datenschreibverbindung (BL, WWL), die in einer ersten Richtung zum Durchlassen des ersten Datenschreibstromes (Iw) angeordnet ist; und
einer zweiten Datenschreibverbindung (WWL, BL), die in einer zweiten Richtung zum Durchlassen des zweiten Datenschreibstromes (Ip) angeordnet ist;
worin der erste Datenschreibstrom (Iw) größer als der zweite Datenschreibstrom (Ip) ist und
die erste Datenschreibverbindung (BL, WWL) eine Querschnittsfläche größer als eine Querschnittsfläche der zweiten Datenschreibverbindung (WWL, BL) aufweist.

2. Dünnfilmmagnetspeicherbauelement nach Anspruch 1, bei der die erste und die zweite Datenschreibverbindung (BL, WWL) derart angeordnet sind, daß ein Abstand zwischen der ersten Datenschreibverbindung und dem Magnetspeicherabschnitt (TMR) länger als ein Abstand zwischen der zweiten Datenschreibverbindung und dem Magnetspeicherabschnitt (TMR) ist.

3. Dünnfilmmagnetspeicherbauelement nach Anspruch 1 oder 2, die erste Datenschreibverbindung (BL, WWL) eine Verbindungsbreite größer als die der zweiten Datenschreibverbindungen (WWL, BL) aufweist.

4. Dünnfilmmagnetspeicherbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste Datenschreibverbindung (BL, WWL) eine Verbindungsdicke größer als die der zweiten Datenschreibeverbindung (WWL, BL) aufweist.

5. Dünnfilmmagnetspeicherbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem jeder Magnetspeicherabschnitt (TMR) eine Form mit einem Aspektverhältnis größer als eins zwischen einer langen Seite (a) und einer kurzen Seite (b) aufweist,
die erste Datenschreibverbindung (BL, WWL) eine Verbindungsbreite in der Richtung der langen Seite (a) aufweist und
die zweite Datenschreibverbindung (WWL, BL) eine Verbindungsbreite der Richtung der kurzen Seite (B) kleiner als die der ersten Datenschreibverbindung (BL, WWL) aufweist.

6. Dünnfilmmagnetspeicherbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die zweite Datenschreibverbindung (WWL, BL) unter Benutzung einer Metallverbindungsschicht (M2) auf einem höheren Niveau als die erste Datenschreibverbindung (BL, WWL) angeordnet ist.

7. Dünnfilmmagnetspeicherbauelement mit
einer Mehrzahl von Speicherzellen, von denen jede einen Magnetspeicherabschnitt (TMR) aufweist mit einem elektrischen Widerstand, der gemäß einer Magnetisierungsrichtung variiert, die als Reaktion auf das Anlegen eines Datenschreibmagnetfeldes (He, Hh) überschreibbar ist;
einer ersten Datenschreibverbindung (BL) zum Durchlassen eines ersten Datenschreibstromes (+-Iw), der das Datenschreibmagnetfeld (He) entlang einer weichen Achse (EA) erreicht; und
einer zweiten Datenschreibverbindung (WWL) zum Durchlassen eines zweiten Datenschreibstromes (Ip), der das Datenschreibmagnetfeld (Hh) entlang einer harten Achse (HA) erzeugt;
worin der erste Datenschreibstrom (Iw) eine Anstiegszeitkonstante größer als die Anstiegszeitkonstante des zweiten Schreibstromes (Ip) an dem Beginn einer Datenschreibtätigkeit aufweist, die durch Überschreiben einer Magnetisierungsrichtung des Magnetspeicherabschnittes (TMR) durchgeführt wird.

8. Dünnfilmmagnetspeicherbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Lieferung des zweiten Datenschreibstromes (Ip) früher endet als das Enden des Lieferns des ersten Datenschreibstromes (Iw) an dem Ende der Datenschreibtätigkeit.

9. Dünnfilmmagnetspeicherbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 7 und 8, bei der jeder Magnetspeicherabschnitt (TMR) eine Form mit einem Aspektverhältnis größer als 1 zwischen einer langen Seite

a) und einer kurzen Seite (b) aufweist, die erste Datenschreibverbindung (BL) entlang der kurzen Seite

b) angeordnet ist und die zweite Datenschreib

10. Dünnfilmmagnetspeicherbauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
bei dem die Mehrzahl von Speicherzellen (MC) in Zeilen und Spalten angeordnet ist,
die erste Datenschreibverbindung (BL) für die Speicherzellenspalten angeordnet sind und
die zweite Datenschreibverbindungen (WWL) für die Speicherzellenzeilen angeordnet sind;
wobei das Dünnfilmmagnetspeicherbauelement weiter aufweist: eine Mehrzahl von Spaltenauswahlleitungen (CSL1-CSLm), die für die Speicherzellenspalten vorgesehen sind, und eine Mehrzahl von Spaltenauswahlleitungstreiberabschnitten (DVU1-DVUm), die für die Speicherzellenspalten vorgesehen sind, jeweils zum Treiben einer entsprechenden der Spaltenauswahlleitungen von einer ersten Spannung (Vss) auf eine zweite Spannung (Vcc) durch einen vorbestimmen Betriebsstrom in einer ausgewählten Spalte; und
wobei der vorbestimmte Betriebsstrom so eingestellt ist, daß der erste Datenschreibstrom (Iw) mit der Anstiegszeitkonstante größer als die Anstiegszeitkonstante des zweiten Datenschreibstromes (Ip) aufweist.

11. Dünnfilmmagnetspeicherbauelement nach Anspruch 10, bei dem jeder Spaltenauswahlleitungstreiberabschnitt (DVUI- DVUm) aufweist:
einen Treibergatterabschnitt (201, 203, 204) zum Treiben der entsprechenden Spaltenauswahlleitung (CSL) durch eine der ersten und der zweiten Spannung (Vss, Vcc) gemäß dem Resultat der Spaltenauswahl, und
einen Treiberstromschaltabschnitt (200, 202) zum Liefern eines ersten Stromes (11) als den vorbestimmten Betriebsstrom an den Treibergatterabschnitt (201, 203, 204) bei der Datenschreibtätigkeit und Liefern eines zweiten Stromes (12) größer als der erste Strom (11) als den vorbestimmten Betriebsstrom zum Treiben des Treibergatterabschnittes bei der Datenlesetätigkeit.