[发明专利]具有磁性隧道接合部的薄膜磁体存储装置

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜磁体存储装置，确切地说涉及配有具有磁性隧道接合(磁性隧道接合部MTJ：Magnetic Tunneling Junction)的存储单元的可随机存取的薄膜磁体存储装置。

现有技术

作为一种低电耗的可进行非易失性数据存储的存储装置，MRAM(随机存取磁性存储器：Magnetic Random Access Memory)装置正在引起人们的关注。MRAM装置是一种采用在半导体集成电路中形成的数个薄膜磁体的可进行非易失性数据存储并可对各薄膜磁体实施存取的存储装置。

尤其是近年来随着将采用磁性隧道接合(磁性隧道接合部MTJ：Magnetic Tunneling Junction)的隧道式磁阻元件用作存储单元，MRAM装置的性能得到了显著的提高，这方面已有文献发表。对于配有具有磁性隧道接合的存储单元的MRAM装置，在ISSCC Digest ofTechnical Papers(ISSCC技术文摘)TA7.2，2000年2月刊上发表的“A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using aMagnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell：采用磁性隧道接合及各单元FET开关的10纳秒读写非易失性存储器阵列”一文及在ISSCC Digest of Technical Papers(ISSCC技术文摘)TA7.3，2000年2月刊上发表的“Nonvolatile RAM based on MagneticYunnel Junction Elements：基于磁性隧道接合元件的非易失性RAM”等技术文献中已有介绍。

图39是表示配有磁性隧道接合的存储单元(以下简称为“MTJ存储单元”)构成的概略图。

参见图39，MTJ存储单元配有其电阻值随存储数据的数据电平改变的磁性隧道接合部MTJ和存取晶体管ATR。存取晶体管ATR由场效应晶体管形成，在位线BL与接地电压VSS之间与磁性隧道接合部MTJ串列连接。

MTJ存储单元配有用于发布写入数据指令的写入字线WWL、用于发布读出数据指令的读出字线RWL、用于在读出数据及写入数据时传送与存储数据电平对应的电信号的作为数据线的位线BL。

图40是说明从MTJ存储单元读出数据的过程的概念图。

参见图40，磁性隧道接合部MTJ配有具有一定方向的固定磁化方向的磁性层(以下简称为“固定磁性层”)FL、具有自由磁化方向的磁性层(以下简称为“自由磁性层”)VL。在固定磁性层FL与自由磁性层VL之间配置由绝缘膜形成的隧道屏障TB。自由磁性层VL在对应于存储数据电平的方向上，即与固定磁性层FL相同方向或不同方向的任一方向上被磁化。

在读出数据时，存取晶体管ATR根据读出字线RWL的活性化被接通。这样，在位线BL～磁性隧道接合部MTJ～接地电压VSS之间的电流通路内将有作为由图中未示出的控制电路供应的恒定电流的传感电流Is流过。

磁性隧道接合部MTJ的电阻值根据固定磁性层FL与自由磁性层VL之间磁化方向的相对关系变化。具体地说，在固定磁性层FL的磁化方向与在自由磁性层VL内写入的磁化方向相同的场合下的磁性隧道接合部MTJ的电阻值要小于二者磁化方向不同的场合下的电阻值。

因此在读出数据时，磁性隧道接合部MTJ上由传感电流Is所引起的电压变化随着自由磁性层VL内的存储磁场方向而异。因此，如果对比如位线BL预充电至高电压后开始提供传感电流Is，则通过检测位线BL的电压电平变化，便可以读出MTJ存储单元内的存储数据电平。

图41是说明在MTJ存储单元内写入数据的动作的概念图。

参见图41，在写入数据时，读出字线RWL被非活性化处理，与此对应，存取晶体管ATR被断路。在该状态下，产生用于在与存储数据电平对应的方向上对自由磁性层VL进行磁化的数据写入磁场的数据写入电流分别流过写入字线WWL及位线BL。自由磁性层VL的磁化方向取决于分别流过写入字线WWL及位线BL的数据写入电流的方向组合。

图42是说明数据写入时数据写入电流方向与数据写入磁场方向之间的关系的概念图。

参见图42，横坐标所代表的磁场Hx表示由流经写入字线WWL的数据写入电流所产生的数据写入磁场H(WWL)的方向。另一方面，纵坐标代表的磁场Hy表示由流经位线BL的数据写入电流所产生的数据写入磁场H(BL)的方向。