[发明专利]半导体存储器、读出放大器电路和存储器单元读取方法

说明书

相关申请的交叉引用

本发明包含与分别于2007年5月2日和2007年1月9日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2007-121404和JP 2007-001548相关的主题，其全部内容被引用并入此处。

技术领域

本发明涉及一种半导体存储器器件，其包括经由读出线(sense line)连接到存储器单元的读出放大器(sense amplifier)电路；一种适合于读半导体存储器器件的存储器单元的读出放大器电路；以及一种存储器单元读取方法。

背景技术

在半导体存储器器件中，单元电流的量值取决于存储器单元的存储状态。与单元电流的量值相关的所存储的数据被读。最近几年，在非易失性存储器的开发方面已取得新的进展。

在两端可变电阻型非易失性存储器中，公知的是自旋注入存储器(spininjection memory)(参考序号为2003-17782P的日本专利公开物和序号为2006-196612的日本专利公开物)。

自旋注入存储器利用了这样一种现象：其中，磁物质的磁化状态因被注入磁物质中的自旋极化导电电子和负责磁物质磁化的电子自旋之间的相互作用而改变。

将描述一种作为存储器元件的隧道磁致电阻元件(以下，将其称为TMR)。

基本上，隧道磁致电阻元件TMR具有分层的结构，该分层的结构包括由如图1所示的隧道阻挡层(tunnel barrier layer)101分隔的两个磁物质层。

磁物质层之一是固定磁化层102，其被设计旨在令磁化条件保持不变。另一磁物质层为自由磁化层103，其被设计旨在沿平行或者不平行于固定磁化层102的磁化方向的方向获取稳定的磁化状态。

具有两个磁物质层(固定磁化层102和自由磁化层103)的叠片薄膜，展示了一种磁致电阻效应(MR效应)，该MR效应根据被形成于这两个层的磁化方向之间的角度导致导电的变化。通过在该叠片薄膜的两端上施加电压来读取所存储的数据，以便输出电流。由于MR效应，输出电流的量值取决于根据自由磁化层103的磁化方向而变化的电阻。由流经隧道磁致电阻元件TMR的隧道电流所产生的MR效应被称为TMR效应。

图2图示了使用隧道磁致电阻元件TMR的自旋注入存储器中的单元配置。图3图示了存储器单元的等效的电路图。

以图形图示的存储器单元MC具有隧道磁致电阻元件TMR和选择晶体管ST。

隧道磁致电阻元件TMR的一端被连接到位线BL，并且其另一端被连接到选择晶体管ST的漏极。选择晶体管ST的源极被连接到源极线SL，并且其栅极被连接到字线WL。

接下来，将描述隧道磁致电阻元件TMR的电特性。

在隧道磁致电阻元件TMR中，隧道电流产生磁化转换(将其称为自旋注入磁化转换)。这导致了电存储器特性的变化，即，电阻滞后特性。

图4图示了隧道磁致电阻元件TMR的电流与电压对比的特性(滞后特性)。参考图1，从固定磁化层102到自由磁化层103的电流流动的方向是图4中单元电流的正方向。沿图4中的水平轴的单元施加的电压向固定磁化层102给出了相对于自由磁化层103的电位的正或负电压。

所图示的电特性展示了在经过零电流之后具有相对大斜率的低电阻状态和在经过零电流之后具有相对小斜率的高电阻状态。例如，当单元施加的电压在0.5和1.0V之间时，如果在低电阻状态下单元施加的电压增大，则发生状态变化(过渡至高电阻)，如图4中的箭头Ah所示。另一方面，例如，当单元施加的电压在-0.5和-1.0V之间时，如果在高电阻状态下单元施加的电压减小，则产生另一状态变化(过渡至低电阻)，如图4中的箭头A1所示。

单元操作被控制，以通过把单元施加的电压设置为1.0V，来产生向高电阻状态的过渡，以及通过把单元施加的电压设置为-1.0V，来产生向低电阻状态的过渡。

显然，根据以上所描述的电特性，如果把所述两个状态与二进制数据相关联，则把数据写至存储器是可能的，因为数据变换(inversion)是可能的。更具体地，通过把单元施加的电压设置为1.0V，可以写数据“0”(Write0)。相反，通过把单元施加的电压设置为-1.0V，可以写数据“1”(Write1)。

在存储器读操作中，例如，把约0.3V的电位施加到存储器单元，以实现实质上高的磁致电阻率(MR率)。此时，隧道磁致电阻元件TMR的电阻取决于写状态。因此，能够通过读电阻值来判断TMR是处于高电阻状态(写数据“0”)还是低电阻状态(写数据“1”)。