DE10303073A1 - Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung mit einer Dummyzelle - Google Patents

Abstract

Eine Dummyzelle (DMC) beinhaltet eine Mehrzahl von magnetoresistiven Dummyelementen (TR, TM), die dieselbe Eigenschaft aufweisen wie ein magnetoresistives Element (TMR), wobei sich diese Eigenschaft entsprechend einer zwischen den entgegengesetzten Enden anliegenden Spannung ändert. Außerdem wird eine Spannung, die zwischen entgegengesetzten Enden jeder magnetoresistiven Dummyelements anliegt, kleiner gemacht als eine Spannung, die an entgegengesetzten Enden eines magnetoresistiven Elements einer Speicherzelle (MC) anliegt. Somit wird die Dummyzelle so entworfen, dass sie einen elektrischen Zwischenwiderstandswert zwischen einem ersten und einem zweiten Widerstandswert aufweist.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Dünnfilm-Speichervorrichtung, und besonders auf eine magnetische Dünnfilm-Speichervorrichtung mit wahlfreiem Zugriff, die Speicherzellen mit einem magnetischen Tunnelübergang (MTJs = Magnetic Tunnel Junctions) aufweist.
• Eine MRAM-Vorrichtung (Magnetic Random Access Memory = Magnetischer Direktzugriffspeicher) ist als eine Speichervorrichtung bekannt, die in der Lage ist, mit geringem Leistungsverbrauch Daten auf nichtflüchtige Weise zu speichern. Die MRAM- Vorrichtung führt nichtflüchtiges Datenspeichern unter Verwendung einer Mehrzahl von magnetischen Dünnfilmelementen durch, die in einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet sind, und auf jedes dieser magnetischen Dünnfilmelementen ist ein Direktzugriff erlaubt.
• In letzter Zeit wurde berichtet, dass die Leistungsfähigkeit einer MRAM-Vorrichtung beträchtlich verbessert werden kann, wenn ein magnetoresistives Tunnelelement mit einem magnetischen Tunnelübergang als Speicherzelle verwendet wird. Die MRAM- Vorrichtung, die Speicherzellen mit einem magnetischen Tunnelübergang beinhaltet, ist in der technischen Literatur veröffentlicht wie z. B. in "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, Februar 2000, "Nonvolatile RAM Based an Magnetic Tunnel Junction Elements", ISSCC Digest of Technical Papers, TA7.3, Februar 2000, und "A 256kb 3.OV 1TIMTJ Nonvolatile Magnetoresistive RAM", ISSCC Digest of Technical Papers, TA7.6, Februar 2001.
• Fig. 25 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Speicherzelle mit einem magnetischem Tunnelübergang (im folgenden gelegentlich einfach als "MTJ-Speicherzelle" bezeichnet). Wie in Fig. 25 dargestellt beinhaltet eine MTJ-Speicherzelle ein magnetoresistives Tunnelelement TMR, dessen elektrischer Widerstandswert sich entsprechend dem Pegel der Speicherdaten ändert, und einen Zugriffstransistor ATR. Der Zugriffstransistor ATR ist aus einem Feldeffekttransistor gebildet und zwischen das magnetoresistive Tunnelelement TMR und eine Massespannung VSS geschaltet.
• Für die MTJ-Speicherzelle sind bereitgestellt: eine Schreibwortleitung WWL zum Steuern des Datenschreibens, eine Lesewortleitung RWL zum Steuern des Datenlesens, und eine Bitleitung BL, die eine Datenleitung zum Übertragen eines elektrischen Signals entsprechend dem Speicherdatenwert während des Datenlesens und des Datenschreibens ist.
• Fig. 26 ist eine schematische Darstellung, die einen Datenlesevorgang aus der MTJ-Speicherzelle veranschaulicht. Zunächst wird der Aufbau des magnetoresistiven Tunnelelement TMR beschrieben.
• Mit Bezug auf Fig. 26 weist das magnetoresistive Tunnelelement einen MR-Effekt (magnetoresistiven Effekt) auf, bei dem sich ein elektrischer Widerstandswert eines Materials entsprechend einer Richtung einer Magnetisierung eines magnetischen Elements ändert. Das magnetoresistive Tunnelelement TMR ist dadurch gekennzeichnet, dass es auch bei gewöhnlichen Temperaturen einen bedeutsamen MR-Effekt aufweist und dass es ein hohes MR- Verhältnis (ein Verhältnis der elektrischen Widerstandswerte entsprechend der Richtung der Magnetisierung) aufweist.
• Das magnetoresistive Tunnelelement TMR beinhaltet ferromagnetische Schichten FL und VL und eine Isolierschicht (Tunnelschicht) TB. In dem magnetoresistiven Tunnelelement TMR ändert sich eine Größe des Tunnelstroms, der durch die Isolierschicht TB fließt, die zwischen den ferromagnetischen Schichten FL und VL eingebettet ist, entsprechend einer Richtung eines Elektronenspins, die durch die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schichten FL und VL bestimmt wird. Da sich die Anzahl der möglichen Zustände für den Elektronenspin in den ferromagnetischen Schichten FL und VL in Abhängigkeit von den Magnetisierungsrichtungen ändert, steigt der Tunnelstrom an, wenn die ferromagnetischen Schichten FL und VL dieselbe Magnetisierungsrichtung aufweisen, während der Tunnelstrom kleiner wird, wenn diese beiden Schichten entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen aufweisen.
• Unter Verwendung dieser Erscheinung kann das magnetoresistive Tunnelelement als eine Speicherzelle verwendet werden, die 1- Bit-Daten speichert, wenn die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht FL festgehalten wird, während die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht VL entsprechend dem Speicherdatenwert geändert wird, und die Größe des Tunnelstroms, der durch die Tunnelschicht TB fließt, bzw. der elektrische Widerstandswert des magnetoresistiven Tunnelelements TMR erfasst wird. Die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht FL, die durch ein antiferromagnetisches Material oder dergleichen fixiert wird, wird im allgemeinen als "Spinventil" bezeichnet.
• Im folgenden wird die ferromagnetische Schicht FL, die eine feste Magnetisierungsrichtung aufweist, auch als "feste magnetische Schicht FL" bezeichnet, und die ferromagnetische Schicht VL, die eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die dem Speicherdatenwert entspricht, als "freie magnetische Schicht VL". In dem magnetoresistiven Tunnelelement TMR wird die Seite der freien magnetischen Schicht VL, die elektrisch mit der Bitleitung BL verbunden ist, auch als "positive Elektrode (+)" bezeichnet und die Seite der festen magnetischen Schicht FL, die elektrisch mit dem Zugriffstransistor ATR verbunden wird, als "negative Elektrode (-)".
• Beim Datenlesen wird der Zugriffstransistor ATR als Reaktion auf eine Aktivierung der Lesewortleitung RWL eingeschaltet. Dadurch fließt ein Lesestrom Is, der von einer nicht dargestellten Steuerschaltung als Konstantstrom zugeführt wird, durch einen Strompfad von der Bitleitung BL über das magnetoresistive Tunnelelement TMR und den Zugriffstransistor ATR zu der Massespannung VSS.
• Wie oben beschrieben ändert sich der elektrische Widerstandswert des magnetoresistiven Tunnelelements TMR entsprechend einer Beziehung zwischen den Magnetisierungsrichtungen der festen magnetischen Schicht FL und der freien magnetischen Schicht VL. Insbesondere ist der elektrische Widerstandswert des magnetoresistiven Tunnelelements TMR in dem Fall, in dem die Magnetisierungsrichtung der festen magnetischen Schicht FL dieselbe ist wie die in die freie magnetische Schicht VL eingeschriebene Magnetisierungsrichtung, kleiner als in dem Fall, in dem beide Schichten verschiedene Magnetisierungsrichtungen aufweisen. In dieser Beschreibung werden die elektrischen Widerstandswerte des magnetoresistiven Tunnelelements, die einem Speicherdatenwert von "1" bzw. "0" entsprechen, jeweils mit Rmax bzw. Rmin bezeichnet. Dabei wird angenommen, dass Rmax > Rmin und dass Rmax = Rmin + ΔR.
• Somit ändert sich der elektrische Widerstandswert des magnetoresistiven Tunnelelements TMR entsprechend einem Magnetfeld, das von außen angelegt wird. Dadurch kann Datenschreiben auf der Grundlage der Änderungseigenschaft des elektrischen Widerstandswerts des magnetoresistiven Tunnelelements TMR durchgeführt werden. Im allgemeinen liegt der elektrische Widerstandswert des magnetoresistiven Tunnelelements TMR, das in der MRAM- Vorrichtung verwendet wird, in dem Bereich von einigen zehn Ω.
• Eine Spannungsänderung in dem magnetoresistiven Tunnelelement, die durch den Lesestrom Is erzeugt wird, variiert entsprechend der in der freien magnetischen Schicht VL gespeicherten Magnetisierungsrichtung. Daher kann der Pegel des in der MTJ- Speicherzelle gespeicherten Datenwerts ausgelesen werden, indem die Änderung des Spannungspegels der Bitleitung BL erfasst wird, wenn die Zufuhr des Lesestroms Is beginnt, nachdem die Bitleitung BL auf eine hohe Spannung vorgeladen wurde.
• Fig. 27 ist eine schematische Darstellung eines Datenschreibvorgangs in die MTJ-Speicherzelle. Wie in Fig. 27 dargestellt wird beim Datenschreiben die Lesewortleitung RWL deaktiviert und der Zugriffstransistor ATR ausgeschaltet. In diesem Zustand fließt jeweils durch die Schreibwortleitung WWL und die Bitleitung BL ein Datenschreibstrom zum Schreiben des Magnetfelds in die freie magnetische Schicht VL. Die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht VL wird durch die Kombination der Richtungen der Datenschreibströme festgelegt, die jeweils durch die Schreibwortleitung WWL und die Bitleitung BL fließen.
• Fig. 28 ist eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einer Richtung eines Datenschreibstroms und einer Magnetisierungsrichtung bei einem Datenschreibvorgang.
• Wie in Fig. 28 dargestellt, bezeichnet ein in der vertikalen Achse aufgetragenes Magnetfeld Hy eine Richtung eines Magnetfelds H(BL), das durch den durch die Bitleitung BL fließenden Strom erzeugt wird. Ein Magnetfeld Hx, das auf der horizontalen Achse aufgetragen wird, bezeichnet dagegen eine Richtung eines Magnetfelds H(WWL), das durch den durch die Schreibwortleitung WWL fließenden Strom erzeugt wird.
• Die in der freien Magnetschicht VL gespeicherte Magnetisierungsrichtung wird nur dann überschrieben, wenn die Summe der Magnetfelder H(BL) und H(WWL) einen Bereich außerhalb der in der Zeichnung dargestellten Asteroiden-Kennlinie erreicht. Die in der freien magnetischen Schicht VL gespeicherte Magnetisierungsrichtung wird nicht überschrieben, wenn ein Magnetfeld anliegt, das einem Bereich innerhalb der Asteroiden-Kennlinie entspricht.
• Daher muss zum Überschreiben des Speicherdatenwerts des magnetoresistiven Tunnelelements TMR im Datenschreibbetrieb sowohl durch die Schreibwortleitung WWL als auch durch die Bitleitung BL ein Strom fließen. Die einmal in dem magnetoresistiven Tunnelelement TMR gespeicherte Magnetisierungsrichtung, d. h. der gespeicherte Datenwert wird in nichtflüchtiger Weise gehalten, bis ein neues Datenschreiben durchgeführt wird.
• Auch im Datenlesebetrieb fließt durch die Bitleitung BL der Lesestrom Is. Es besteht jedoch nur eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass der Speicherdatenwert MTJ-Speicherzelle beim Datenlesen irrtümlich durch den Lesestrom Is überschrieben wird, weil der Lesestrom Is im allgemeinen so eingestellt ist, dass er ein bis zwei Größenordnungen kleiner ist als der oben beschriebene Datenschreibstrom.
• In den oben angeführten Literaturstellen ist eine Technik offenbart zum Bilden einer MRAN-Vorrichtung, die ein Direktzugriffsspeicher ist, durch Integrieren solcher MTJ- Speicherzellen auf einem Halbleitersubstrat.
• Fig. 29 ist eine schematische Darstellung integrierter und in Zeilen und Spalten angeordneter MTJ-Speicherzellen.
• Wie in Fig. 29 dargestellt, kann eine hochintegrierte MRAN- Vorrichtung dadurch verwirklicht werden, dass MTJ- Speicherzellen in Zeilen und Spalten auf einem Halbleitersubstrat angeordnet werden. In Fig. 29 sind die MTJ-Speicherzellen in n-zeilen und m-Spalten (n, m: natürliche Zahlen) angeordnet. Für die n × m in Zeilen und Spalten angeordneten MTJ- Speicherzellen sind n-Schreibwortleitungen WWL1 bis WWLn und Lesewortleitungen RWL1 bis RWLn sowie m Bitleitungen BL1 bis BLm bereitgestellt.
• Beim Datenlesen wird eine der Lesewortleitungen RWL1 bis RWLn selektiv aktiviert, und die Speicherzellen, die zu der ausgewählten Speicherzellenzeile gehören (im folgenden als "ausgewählte Zeile" bezeichnet), werden elektrisch zwischen die jeweilige Bitleitung BL1 bis BLm und die Massespannung VSS geschaltet. Demzufolge ändert sich die Größe des Stroms, die durch jede der Bitleitungen BL1 bis BLm fließt, entsprechend einem Speicherdatenpegel der entsprechenden Speicherzelle.
• Daher kann der Speicherdatenpegel der ausgewählten Speicherzelle ausgelesen werden, indem unter Verwendung eines Leseverstärkers oder dergleichen der durch die der ausgewählten Speicherzelle entsprechende Bitleitung fließende Strom mit einem vorbestimmten Referenzstrom verglichen wird.
• Zum Erzeugen des Referenzstroms wird im allgemeinen ein Dummywiderstand verwendet. Es ist erwünscht, den Dummywiderstand auf einen elektrischen Widerstandswert einzustellen, der einem Zwischenwert zwischen Rmax und Rmin entspricht, welche die elektrischen Widerstandswerte sind, die dem Speicherdatenwert der ausgewählten Zelle entsprechen, um einen erwünschten hindurchfließenden Strom als Referenzstrom zu erzeugen.
• Zum Einstellen des Dummywiderstands auf den Zwischenwert des elektrischen Widerstands ist jedoch ein bestimmtes Herstellungsverfahren erforderlich, so dass das Verfahren kompliziert wird. Ebenso müssen die Schwankungen durch das Herstellungsverfahren berücksichtigt werden. Daher ist es schwierig, den Dummywiderstand auf einfache Weise herzustellen.
• Auch wenn es ein Verfahren gibt, einen idealen Zwischenwert des elektrischen Widerstandswerts unter Verwendung einer Dummyzelle als Dummywiderstand zu entwerfen, schwankt der elektrische Widerstandswert der Dummyzelle bedingt durch eine Spannung, die an den entgegengesetzten Enden der Dummyzelle angelegt wird, d. h. einer Vorspannung. Weil ein magnetoresistives Tunnelelement, das die Dummyzelle bildet, spannungsabhängig ist, kann somit eine Situation auftreten, bei der ein tatsächlicher elektrischer Widerstandswert der Dummyzelle von dem idealen Zwischenwert des elektrischen Widerstandswerts abweicht, wodurch es schwierig wird, den Referenzstrom mit hoher Genauigkeit zu erzeugen. Demzufolge ist es schwierig, Datenlesen mit hoher Geschwindigkeit und stabil durchzuführen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung bereitzustellen, die Datenlesen mit hoher Geschwindigkeit und stabil durchführen kann.
• Die Aufgabe wird gelöst durch eine magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. 11. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Dummyzelle unter Berücksichtigung einer Abhängigkeit eines magnetoresistiven Tunnelelements von einer Vorspannung entworfen wird, so dass ein hindurchfließender Referenzstrom mit einer hohen Präzision erzeugt wird.
• Unter einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung eine Mehrzahl von Speicherzellen, die magnetisch geschriebene Speicherdaten halten, eine erste und eine zweite Datenleitung, eine Dummyzelle und eine Datenleseschaltung. Jede Speicherzelle beinhaltet ein magnetoresistives Element, das entsprechend dem Speicherdatenwert entweder einen ersten elektrischen Widerstandswert oder einen zweiten elektrischen Widerstandswert aufweist, der größer als der erste elektrische Widerstandswert ist. Sowohl der erste als auch der zweite elektrische Widerstandswert weisen jeweils eine Eigenschaft auf, die sich entsprechend einer Spannung ändert, die zwischen entgegengesetzten Enden des magnetoresistiven Elementes anlegt. Beim Datenlesen ist die erste Datenleitung mit einer ersten Spannung verbunden, und sie ist über eine aus der Mehrzahl von Speicherzellen ausgewählte Speicherzelle auch mit einer zweiten Spannung verbunden, um einen Datenlesestrom zu empfangen. Die Dummyzelle ist so entworfen, dass sie einen Zwischenwert des elektrischen Widerstands zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstandswert aufweist. Beim Datenlesen ist die zweite Datenleitung mit einer ersten Spannung verbunden, und sie ist über die Dummyzelle auch mit der zweiten Spannung verbunden, um den Datenlesestrom zu empfangen. Die Datenleseschaltung erzeugt den Lesedatenwert auf der Grundlage eines Unterschieds zwischen den durch die erste und die zweite Datenleistung fließenden Strömen. Die Dummyzelle beinhaltet eine Mehrzahl von magnetoresistiven Dummyelementen, die im wesentlichen dieselbe Eigenschaft aufweisen wie das magnetoresistive Element. Jedes der magnetoresistiven Dummyelemente ist über ein in Reihe geschaltetes weiteres magnetoresistives Dummyelement mit der zweiten Datenleitung verbunden. Die Spannung, die an entgegengesetzten Enden jedes magnetoresistiven Dummyelements anliegt, ist kleiner als die, die an dem magnetoresistiven Element anliegt.
• Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, dass die Dummyzelle mit einer Mehrzahl von magnetoresistiven Dummyelementen gebildet wird, so dass die an entgegengesetzten Enden jedes magnetoresistiven Dummyelements anliegende Spannung kleiner ist als die Spannung, die an dem magnetoresistiven Element anliegt, und dass die Dummyzelle so entworfen wird, dass sie einen Zwischenwert des elektrischen Widerstandswerts zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Widerstandswert aufweist. Wenn das magnetoresistive Element der Speicherzelle eine Eigenschaft hat, die sich entsprechend der an den entgegengesetzten Enden anliegenden Spannung ändert, kann dadurch ein idealer Zwischenwert des elektrischen Widerstandswertes eingestellt werden, weil der Zwischenwert des elektrischen Widerstandswerts entsprechend dieser Eigenschaft entworfen wird, und das Datenlesen kann stabil und mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden.
• Unter einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung eine Mehrzahl von Speicherzellen, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind und von denen jede einen magnetisch geschriebenen Speicherdatenwert hält, eine Mehrzahl von Lesewortleitungen, eine Mehrzahl von ersten Datenleitungen, eine zweite Datenleitung, eine Dummyzelle und eine Datenleseschaltung. Die Mehrzahl von ersten Datenleitungen ist jeweils entsprechend den Spalten der Mehrzahl von Speicherzellen bereitgestellt, und jede ist beim Datenlesen selektiv mit einer aus der Mehrzahl von Speicherzellen ausgewählten Speicherzelle verbunden und empfängt einen Datenlesestrom. Jede Speicherzelle beinhaltet ein magnetoresistives Element, das entsprechend dem Speicherdatenwert entweder einen ersten elektrischen Widerstandswert oder einen zweiten elektrischen Widerstandswert aufweist, der größer ist als der erste elektrische Widerstandswert, und ein Zugriffselement, das in Reihe zu dem magnetoresistiven Element zwischen die entsprechende erste Datenleitung und eine vorbestimmte Spannung geschaltet ist und das als Reaktion auf die Aktivierung der entsprechenden Lesewortleitung eingeschaltet wird. Sowohl der erste als auch der zweite elektrische Widerstandswert weisen jeweils eine Eigenschaft auf, die sich entsprechend einer Spannung ändert, die zwischen den entgegengesetzten Enden des magnetoresistiven Elements anliegt. Die Dummyzelle ist so entworfen, dass sie einen Zwischenwert des elektrischen Widerstands zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstandswert aufweist. Beim Datenlesen ist die zweite Datenleitung mit der Dummyzelle verbunden und ermöglicht das Hindurchfließen des Datenlesestroms. Die Datenleseschaltung erzeugt den Lesedatenwert auf der Grundlage eines Unterschieds zwischen den durch eine aus der Mehrzahl von ersten Datenleitungen und durch die zweite Datenleitung fließenden Strömen. Jede Dummyzelle ist entlang der Spaltenrichtung angeordnet, so dass sie eine Speicherzellenzeile mit der Mehrzahl von Speicherzellen gemeinsam nutzt, und beinhaltet eine Mehrzahl von Speicherzelleneinheiten, die in eine Mehrzahl von Gruppen unterteilt sind, von denen jede eine vorbestimmte Anzahl von Einheiten beinhaltet. Jede Dummyzelleneinheit ist entsprechend einer Speicherzellenzeile angeordnet, so dass sie die zweite Datenleitung gemeinsam nutzen. Jede Dummyzelleneinheit beinhaltet ein erstes magnetoresistives Dummyelement, das zwischen die zweite Datenleitung und einen inneren Knoten geschaltet ist, und ein Dummyzugriffselement, das als Reaktion auf die Aktivierung der entsprechenden Lesewortleitung eingeschaltet wird und die vorbestimmte Spannung mit dem ersten magnetoresistiven Dummyelement verbindet. Der innere Knoten ist mit jedem der inneren Knoten in einer anderen Dummyzelleneinheit, die aus der Mehrzahl von Gruppen zu derselben Gruppe gehört, elektrisch verbunden.
• Daher liegt ein Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass jede Dummyzelle so gebildet wird, dass sie eine vorbestimmte Anzahl von Dummyzelleneinheiten aus der Mehrzahl von Dummyzelleneinheiten enthält, die entlang der Spaltenrichtung angeordnet sind, so dass sie die Speicherzellenzeilen gemeinsam nutzen. Außerdem ist der innere Knoten innerhalb der Dummyzelleneinheit, der zu einer Gruppe mit einer vorbestimmten Anzahl von Einheiten gehört, elektrisch mit dem inneren Knoten einer anderen Dummyzelleneinheit verbunden. Dadurch kann die Dummyzelle gebildet werden, indem das magnetoresistive Dummyelement gemeinsam genutzt wird, indem eine vorbestimmte Anzahl von Speicherzellenzeilen eine Gruppe bilden. Daher ist es nicht erforderlich, eine Mehrzahl von magnetoresistiven Dummyelementen für jede Speicherzellenzeile anzuordnen, um eine Dummyzelle bereitzustellen, und die Speicherfeldfläche der Dummyzelle kann kleiner gemacht werden, da das magnetoresistive Dummyelement gemeinsam genutzt wird.
• Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen, Von den Figuren zeigen:
• Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Gesamtaufbau einer MRAM-Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 einen Aufbau eines Speicherfelds und einer peripheren Schaltung nach der ersten Ausführungsform;
• Fig. 3 einen Aufbau einer Datenleseschaltung;
• Fig. 4 einen Aufbau einer Dummyzelle nach der ersten Ausführungsform;
• Fig. 5 Kennlinien der elektrischen Widerstandswerte Rmax und Rmin;
• Fig. 6A, B, C Varianten der Dummyzelle nach der ersten Ausführungsform;
• Fig. 7A, B, C Beispiele für weitere Varianten der Dummyzelle;
• Fig. 8 einen Aufbau einer Dummyzelle nach einer Abwandlung der ersten Ausführungsform;
• Fig. 9 einen Aufbau einer Dummyzelle nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 10 einen Aufbau einer Dummyzelle nach einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform;
• Fig. 11 eine Anordnung in dem Fall, in dem die in der ersten Ausführungsform beschriebene Dummyzelle in einem Speicherfeld angeordnet ist;
• Fig. 12 eine Anordnung in dem Fall, in dem die in der zweiten Ausführungsform beschriebene Dummyzelle in einem Speicherfeld angeordnet ist;
• Fig. 13 ein schematisches Blockdiagramm einer Dummyzelle in einem Aufbau, bei der Speicherzellenzeilen im Voraus für ein Speicherzellenfeld bereit gestellt sind;
• Fig. 14 eine schematische Darstellung eines ersten Anordnungsbeispiels für MTJ-Speicherzellen nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 15 einen Querschnitt einer Speicherzelle;
• Fig. 16 eine Modelldarstellung einer in Fig. 14 gezeigten Dummyzelle;
• Fig. 17, 18 Querschnitte der Dummyzelle;
• Fig. 19 einen Querschnitt in dem Fall, in dem in dieselbe Richtung magnetisierte feste magnetische Schichten in einer Verbindungsbeziehung der magnetoresistiven Tunnelelemente elektrisch miteinander verbunden sind;
• Fig. 20 ein Layoutmuster einer Dummyzelle nach einer Abwandlung der fünften Ausführungsform;
• Fig. 21 eine Modelldarstellung einer in der fünften Ausführungsform beschriebenen Dummyzelle;
• Fig. 22 einen Querschnitt einer Dummyzelle;
• Fig. 23 eine Kennlinie des MR-Verhältnisses, wenn Vorspannungen in positiver und negativer Richtung an das magnetoresistive Tunnelelement angelegt sind;
• Fig. 24 ein Schaltbild einer Dummyzelle nach einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 25 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer MTJ-Speicherzelle;
• Fig. 26 eine schematische Darstellung eines Datenlesevorgangs aus der MTJ-Speicherzelle;
• Fig. 27 eine schematische Darstellung eines Datenschreibvorgangs in die MTJ-Speicherzelle;
• Fig. 28 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einer Richtung eines Datenschreibstroms und einer Magnetisierungsrichtung bei einem Datenschreibvorgang;
• Fig. 29 eine Schaltbild integrierter und in Zeilen und Spalten angeordneter MTJ-Speicherzellen.
• Im Folgenden werden mit Bezug auf die Figuren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. Gleiche bzw. einander entsprechende Abschnitte in den Figuren sind dabei durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
• Mit Bezug auf Fig. 1 führt eine MRAM-Vorrichtung 1 nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend einem Steuersignal CMD und einem Adresssignal ADD, die von außen zugeführt werden, einen wahlfreien Zugriff durch, und liest Schreibdaten DIN ein bzw. gibt Ausgabedaten DOUT aus.
• Die MRAM-Vorrichtung 1 beinhaltet eine Steuerschaltung 5 zum Steuern eines Gesamtbetriebs der MRAM-Vorrichtung 1 entsprechend dem Steuersignal CMD und ein Speicherfeld 10 mit einer Mehrzahl von MTJ-Speicherzellen, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Der Aufbau des Speicherfelds 10 wird weiter unten detailliert beschrieben. Kurz gesagt sind eine Mehrzahl von Schreibwortleitungen WWL und Lesewortleitungen RWL entsprechend den Zeilen von MTJ-Speicherzellen angeordnet, und Bitleitungen BL sind entsprechend den Spalten von MTJ-Speicherzellen angeordnet.
• Die MRAM-Vorrichtung 1 beinhaltet weiter einen Zeilendecoder 20, einen Spaltendecoder 25, einen Wortleitungstreiber 30 sowie Lese/Schreibsteuerschaltungen 50 und 60.
• Der Zeilendecoder 20 führt entsprechend einer durch das Adresssignal ADD ausgedrückten Zeilenadresse RA in dem Speicherfeld 10 eine Zeilenauswahl durch. Der Spaltendecoder 25 führt entsprechend einer durch das Adresssignal ADD ausgedrückten Spaltenadresse CA in dem Speicherfeld 10 eine Spaltenauswahl durch. Auf der Grundlage des Ergebnisses der Zeilenauswahl des Zeilendecoders 20 aktiviert der Wortleitungstreiber 30 selektiv die Lesewortleitung RWL bzw. die Schreibwortleitung WWL. Die Zeilenadresse RA und die Spaltenadresse CA bezeichnen die Speicherzelle, die als Ziel für das Datenlesen bzw. -schreiben ausgewählt ist.
• Eine Wortleitungsstromsteuerschaltung 40 ist bereitgestellt, um zu bewirken, dass beim Datenschreiben durch die Schreibwortleitung WWL ein Datenschreibstrom fließt. Der Datenschreibstrom kann z. B. durch die Schreibwortleitung fließen, die selektiv über den Wortleitungstreiber 30 mit einer Versorgungsspannung VCC verbunden ist, indem über die Wortleitungsstromsteuerschaltung 40 jede Schreibwortleitung WWL mit der Massespannung VSS verbunden ist. Lese/Schreibsteuerschaltungen 50 und 60 steht stellvertretend für Schaltungsanordnungen oder dergleichen, die in einem an das Speicherfeld 10 angrenzenden Bereich bereitgestellt sind, um zu bewirken, dass beim Datenlesen und beim Datenschreiben der Lesestrom bzw. der Datenschreibstrom durch die Bitleitung fließt.
• Fig. 2 zeigt vor allem einen Aufbau, der auf das Datenlesen hingeordnet ist.
• Wie in Fig. 2 dargestellt, beinhaltet ein Speicherfeld MTJ- Speicherzellen MC (im folgenden auch einfach als "Speicherzellen MC" bezeichnet), die in n-Zeilen und m-Spalten angeordnet sind und einen Aufbau wie in Fig. 25 dargestellt aufweisen. Entsprechen den Zeilen von MTJ-Speicherzellen (im folgenden einfach als "Speicherzellenzeilen" bezeichnet) sind Lesewortleitungen RWL1 bis RWLn und Schreibwortleitungen WWL1 bis WWLn bereitgestellt. Entsprechend den Spalten aus MTJ-Speicherzellen (im folgenden auch einfach als "Speicherzellenspalten" bezeichnet) sind Bitleitungen BL1 bis BLm bereitgestellt.
• Außerdem beinhaltet das Speicherfeld 10 eine Mehrzahl von Dummyzellen DMC, die eine Dummyzellenspalte bilden. Eine Referenzbitleitung BLref ist entsprechend dieser Dummyzellenspalte bereitgestellt, und jede Dummyzelle ist entsprechend der Bitleitung BLref und jeder Zeile bereitgestellt.
• In Fig. 2 sind stellvertretend die Schreibwortleitungen WWL1, WWL2 und WWLn, die Lesewortleitungen RWL1, RWL2 und RWLn, die Bitleitungen BL1, BL2 und BLm, die Referenzbitleitung BLref und der Teil der Speicherzellen und Dummyzellen, die der ersten, zweiten und n-ten Zeile und der ersten, zweiten und m-ten Spalte entsprechen, dargestellt.
• Im folgenden werden die Bezeichnungen WWL, RWL und BL verwendet, um jeweils kollektiv Schreibwortleitungen, Lesewortleitungen bzw. Bitleitungen zu bezeichnen. Diesen Bezeichnungen wird ein Suffix angehängt, um eine bestimmte Schreibwortleitung, Lesewortleitung bzw. Bitleitung zu bezeichnen wie z. B. RWL1, WWL1 bzw. BL1. Außerdem wird ein Zustand mit hoher Spannung (Versorgungsspannung VCC) und ein Zustand mit niedriger Spannung (Massespannung VSS) eines Signals oder einer Signalleitung jeweils als "H-Pegel" bzw. "L-Pegel" bezeichnet.
• Beim Datenlesen aktiviert der Wortleitungstreiber 30 entsprechend einem Decodierergebnis, d. h. einem Zeilenauswahlergebnis der Zeilenadresse RA, eine der Lesewortleitungen RWL1 bis RWLn auf H-Pegel. Als Reaktion darauf wird der Zugriffstransistor ATR in jeder Speicherzelle eingeschaltet, die zu der ausgewählten Speicherzellenzeile gehört, und das magnetoresistive Tunnelelement TMR in der Speicherzelle MC wird elektrisch zwischen die elektrische Bitleitung BL und eine Spannung auf der Sourceseite geschaltet. In ähnlicher Weise wird der Zugriffstransistor ATR in der Dummyzelle, die zu der ausgewählten Speicherzellenzeile gehört, eingeschaltet, und das magnetoresistive Tunnelelement in der Dummyzelle wird elektrisch zwischen die Referenzbitleitung BLref und die Spannung auf der Sourceseite geschaltet. In Fig. 2 ist ein Beispiel dargestellt, bei dem die Spannung auf der Sourceseite auf die Massespannung VSS eingestellt ist.
• Datenbusse DB und/DB sind in einem an das Speicherfeld 10 angrenzenden Bereich in derselben Richtung bereitgestellt wie die Lesewortleitung RWL und die Schreibwortleitung WWL. Spaltenauswahlleitungen zum Durchführen einer Spaltenauswahl sind jeweils entsprechend den Speicherzellenspalten bereitgestellt. Beim Datenlesen aktiviert der Spaltendecoder 25 entsprechend einem Decodierergebnis, d. h. einem Spaltenauswahlergebnis der Spaltenadresse CA, eine der Spaltenauswahlleitungen und die der Dummyzellenspalte entsprechende Spaltenauswahlleitung jeweils auf H- Pegel. Das oben verwendete Zeichen "/" bedeutet Inversion, Negation, Komplement und dgl. Es hat im folgenden dieselbe Bedeutung.
• Zwischen dem Datenbus DB und den entsprechenden Bitleitungen BL1 bis BLm sind Spaltenauswahlgatter CSG1 bis CSGm angeordnet.
• Zusätzlich ist ein Spaltenauswahlgatter CSGr zwischen dem Datenbus /DB und der Referenzbitleitung BLref angeordnet. Jedes Spaltenauswahlgatter wird als Reaktion auf die Aktivierung der entsprechenden Spaltenauswahlleitung eingeschaltet. Somit wird der Datenbus DB elektrisch mit der Bitleitung verbunden, die der auswählten Speicherzellenspalte entspricht. Der Datenbus /DB wird elektrisch mit der Referenzbitleitung verbunden, die der Dummyzellenspalte entspricht.
• Die Spaltenauswahlgatter CSG1 bis CSGm werden auch kollektiv als "Spaltenauswahlgatter CSG" bezeichnet.
• Die Datenleseschaltung 51 gibt entsprechend den Spannungen auf den Datenbussen DB und /DB Lesedaten DOUT aus.
• Wie in Fig. 3 dargestellt beinhaltet die Datenleseschaltung 51 einen Differenzverstärker 60 und eine Referenzspannungserzeugeschaltung 55, die eine feste Referenzspannung Vref erzeugt.
• Der Differenzverstärker 60 beinhaltet: einen n-Kanal-MOS- Transistor 61, der zwischen einen Knoten NO und den Datenbus DB geschaltet ist; einen n-Kanal-MOS-Transistor 62, der zwischen einen Knoten /NO und den Datenbus /DB geschaltet ist; einen p- Kanal-MOS-Transistor 63, der zwischen die Knoten Nsp und NO geschaltet ist; einen p-Kanal-MOS-Transistor 64, der zwischen die Knoten Nsp und /NO geschaltet ist; und einen n-Kanal-MOS- Transistor 65, der zwischen die Versorgungsspannung VCC und den Knoten Nsp geschaltet ist.
• Ein Lesefreigabesignal /SE, das bei einem Datenlesevorgang auf L-Pegel aktiviert wird, wird dem Gate des Transistors 65 durch den Zeilendecoder 20 zugeführt. Der Transistor 65 führt dem Differenzverstärker 60 als Reaktion auf die Aktivierung (auf L- Pegel) des Lesefreigabesignals /SE einen Betriebsstrom zum Betreiben des Differenzverstärkers 60 zu.
• Die Gates der beiden Transistoren 63 und 64 sind mit dem Knoten /NO verbunden. Die Transistoren 63 und 64 bilden eine Stromspiegelschaltung und versuchen, den Knoten NO und /NO den gleichen Strom zuzuführen.
• Den Gates der beiden Transistoren 61 und 62 wird eine durch eine Referenzspannungserzeugeschaltung 55 erzeugte feste Referenzspannung zugeführt. Die Transistoren 61 und 62 halten die Spannungen auf den Datenbusses DB und /DB gleich oder kleiner als die Referenzspannung und verstärken gleichzeitig den Unterschied zwischen den durch die Datenbusse DB und /DB fließenden Strömen und wandeln ihn in einen Spannungsunterschied zwischen den Knoten NO und /NO um. Von dem Knoten NO wird der Lesedatenwert DOUT ausgegeben.
• Wie in Fig. 4 dargestellt, beinhaltet eine Dummyzelle nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung magnetoresistive Tunnelelemente TR1, TR2, TM1, TM2 und einen Zugriffstransistor ATR.
• In der Dummyzelle nach der ersten Ausführungsform sind magnetoresistive Tunnelelemente angeordnet, die alle in einem Anfangszustand die Eigenschaft des elektrischen Widerstandswerts Rmin haben.
• Wie in Fig. 4 und 5 dargestellt sind die Vorspannungen Vdy1 und Vdy2, die jeweils an den magnetoresistiven Tunnelelementen TR1(TR2) und TM1(TM2) anliegen, gleich groß und auf einen Wert Vdata/2 eingestellt. Demzufolge ist der elektrische Widerstandswert jedes magnetoresistiven Tunnelelements gleich eingestellt. Somit entspricht ein kombinierter Widerstandswert Rda dieser Dummyzelle einem Widerstandswert, wenn die Spannung Vdata/2 an ein magnetoresistives Tunnelelement angelegt wird, das die Eigenschaft des elektrischen Widerstandswerts Rmin aufweist.
• Wie in Fig. 5 dargestellt, kann dieser Wert ungefähr auf den gewünschten Zwischenwert zwischen den elektrischen Widerstandswerten Rmax und Rmin eingestellt werden, wenn die Biasspannung Vdata an die ausgewählte Speicherzelle angelegt wird. Somit kann ein Zwischenwert des elektrischen Widerstandswerts mit hoher Genauigkeit eingestellt werden, indem eine Dummyzelle entworfen wird unter Berücksichtigung einer Kennlinie eines magnetoresistiven Tunnelelements. Durch Verwenden dieser Dummyzelle ist es möglich, einen hinreichenden Unterschied in den Widerstandswerten, d. h. einen hinreichenden Unterschied in den durch die Dummyzelle und die ausgewählte Speicherzelle fließenden Strömen sicherzustellen, und somit kann ein Datenlesevorgang mit hoher Geschwindigkeit stabil durchgeführt werden.
• Fig. 6A zeigt dieselbe Dummyzelle wie Fig. 4. Auch wenn in der in Fig. 4 dargestellten Dummyzelle magnetoresistive Tunnelelemente angeordnet sind, die alle die Eigenschaft des elektrischen Widerstandswerts Rmin aufweisen, wird hierbei zumindest eines der magnetoresistiven Tunnelelemente abgeändert zu einem magnetoresistiven Tunnelelement mit der Eigenschaft des elektrischen Widerstandswerts Rmax. Wie in Fig. 6B dargestellt, ist das magnetoresistive Tunnelelement TR2 so abgeändert, dass es die Eigenschaft des elektrischen Widerstandswert Rmax aufweist. Dadurch wird der kombinierte Widerstandswert höher als bei der in Fig. 6A dargestellten Dummyzelle. Wie in Fig. 6C dargestellt ist zusätzlich das magnetoresistive Tunnelelement TM1 so abgeändert, dass es die Eigenschaft des elektrischen Widerstandswerts Rmax aufweist. Dadurch wird der kombinierte Widerstandswert größer als der in Fig. 6 dargestellten Dummyzelle.
• Mit diesem Aufbau kann der kombinierte Widerstandswert Rda der Dummyzelle erhöht und abgestimmt werden, indem zumindest eine der vier magnetoresistiven Tunnelelemente so abgewandelt wird, dass es die Eigenschaft des elektrischen Widerstandswerts Rmax aufweist.
• Wie in Fig. 7A bis 7C dargestellt, ist für jede der in Fig. 6A bis 6C dargestellten Dummyzellen weiterhin ein Transistor GT bereitgestellt. Der Transistor GT ist zwischen einem Verbindungsknoten NA zwischen den magnetoresistiven Tunnelelementen TR1 und TM1 und einem Verbindungsknoten NB zwischen den magnetoresistiven Tunnelelementen TR2 und TM2 angeordnet, und sein Gate empfängt als Eingabe ein Steuersignal Ctr.
• Durch Eingabe des Steuersignals Ctr werden die Verbindungsknoten NA und NB elektrisch miteinander verbunden, d. h. die Knoten NA und NB werden auf denselben Spannungspegel gelegt. Dadurch werden die magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 und TR2 parallel geschaltet. Die anderen magnetoresistiven Tunnelelemente TM1 und TM2 werden ebenfalls parallel geschaltet, und diese Sätze parallel geschalteter magnetoresistiver Tunnelelemente sind in Reihe geschaltet.
• In dem in Fig. 7A dargestellten Aufbau der Dummyzelle ändert sich der kombinierte Widerstandswert nicht, wenn das Steuersignal Ctr eingegeben wird. In dem in Fig. 7B dargestellten Aufbau der Dummyzelle ändert sich der kombinierte Widerstandswert, wenn das Steuersignal Ctr eingegeben wird, und der kombinierte Widerstandswert, der in Fig. 6B eingestellt ist, kann weiter abgeglichen werden. In ähnlicher Weise ändert sich bei dem in Fig. 7C dargestellten Aufbau der Dummyzelle der kombinierte Widerstandswert, wenn das Steuersignal Ctr eingegeben wird, und der in Fig. 6C eingestellte kombinierte Widerstandswert kann weiter abgeglichen werden.
• Mit diesen Aufbauten kann der kombinierte Widerstandswert Rda der Dummyzelle weiter abgeglichen werden, indem zum Ändern des kombinierten Widerstandswerts das Steuersignal Ctr eingegeben wird und die Verbindungsknoten NA und NB elektrisch miteinander verbunden werden.
• Eine Abwandlung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Aufbau, der an Veränderungen der Widerstandseigenschaften angepasst werden kann, die beim Herstellen von Dummyzellen auftreten.
• Wie in Fig. 8 dargestellt, hat eine Dummyzelle nach der Abwandlung der ersten Ausführungsform einen Aufbau, bei dem n magnetoresistive Tunnelelemente, von denen jedes eine Eigenschaft des elektrischen Widerstandswerts Rmin aufweist, in einer Y#- Richtung in Reihe geschaltet sind, während n Sätze der n in Reihe geschalteten magnetoresistiven Tunnelelemente parallel in einer X#-Richtung bereitgestellt sind.
• Der kombinierte Widerstandwert Rda der Dummyzelle mit diesem Aufbau entspricht einem Widerstandswert eines magnetoresistiven Tunnelelements, das die Eigenschaft des elektrischen Widerstandswert Rmin aufweist. Somit liegt an jedem magnetoresistiven Tunnelelement 1/n der Vorspannung Vdata an.
• Als Beispiel wird ein Fall beschrieben, bei dem die Spannungsabhängigkeit eines magnetoresistiven Tunnelelements mit der Eigenschaft des elektrischen Widerstandswert Rmin klein ist, d. h. dass seine Änderungsrate (Gradient) als eine Eigenschaft eines in Fig. 5 dargestellten elektrischen Widerstandswerts Rmin# bedingt durch Schwankungen bei der Herstellung klein ist.
• Wenn in diesem Fall zum Beispiel n = 3 gesetzt wird, kann der kombinierte Widerstandswert Rda der Dummyzelle auf einen Widerstandswert eines magnetoresistiven Tunnelelements eingestellt werden, der 1/3 der Vorspannung Vdata entspricht. Wenn das magnetoresistive Tunnelelement die Eigenschaft des in Fig. 5 dargestellten elektrischen Widerstandswerts Rmin# aufweist, kann der kombinierte Widerstandswert Rda auf einen Wert eingestellt werden, der nahe an dem idealen Zwischenwiderstandswert liegt, indem n = 3 gesetzt wird.
• Durch Einstellen der Anzahl n der magnetoresistiven Tunnelelemente, die die Eigenschaft des elektrischen Widerstandswerts Rmin aufweisen, kann die an jedem magnetoresistiven Tunnelelement anliegende Vorspannung eingestellt werden, und der kombinierte Widerstandswert Rda kann auf einen Wert nahe bei einem idealen Zwischenwiderstandswert eingestellt werden.
• Daher ist es möglich, den kombinierten Widerstandswert der Dummyzelle entsprechend den Schwankungen der Widerstandseigenschaften bei der Herstellung einzustellen und einen hinreichenden Unterschied der Widerstandswerte sicherzustellen, d. h. einen Unterschied in den durch die Dummyzelle und die ausgewählte Speicherzelle fließenden Strömen, um Datenlesen mit hoher Geschwindigkeit und stabil durchzuführen.
• Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Aufbau einer Dummyzelle, bei der ein Zwischenwiderstandswert in einer anderen Weise eingestellt wird als bei der Dummyzelle nach der ersten Ausführungsform.
• Wie in Fig. 9 dargestellt, beinhaltet die Dummyzelle nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein magnetoresistives Tunnelelement TM1, magnetoresistive Tunnelelemente TR1 bis TRn und einen Zugriffstransistor ATR. Die magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 bis TRn und TM1 haben in einem Anfangszustand die Eigenschaft des elektrischen Widerstandswerts Rmin.
• Die magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 bis TRn sind parallel zueinander geschaltet. Diese parallel geschalteten magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 bis TRn und das magnetoresistive Tunnelelement TM1 sind in Reihe geschaltet.
• Dabei wird ein kombinierter Widerstandswert Rdb der Dummyzelle nach der zweiten Ausführungsform eingestellt auf eine Summe aus einem kombinierten Widerstandswert Rdm1 der magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 bis TRn und aus einem Widerstandswert Rdm2 des magnetoresistiven Tunnelelements TM1. Der kombinierte Widerstandswert Rdm1 entspricht 1/n des elektrischen Widerstandswert Rmin eines magnetoresistiven Tunnelelements.
• Wenn beim Datenlesen die Vorspannung Vdata an die ausgewählte Speicherzelle angelegt wird, werden an jedes der parallel geschalteten magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 bis TRn und an das magnetoresistive Tunnelelement TM1 jeweils eine Spannung angelegt, die entsprechend einem Widerstandsverhältnis zwischen den kombinierten Widerstandswerten Rdm1 und Rdm2 aufgeteilt ist.
• Wenn n = 1 ist, d. h. wenn der Aufbau in Reihe geschaltete magnetoresistive Tunnelelemente TR1 und TM1 beinhaltet, liegt an jedem magnetoresistiven Tunnelelement die halbe Vorspannung Vdata an. Der kombinierte Widerstandswert Rdb entspricht der Summe der Widerstandswerte Rdm1 und Rdm2 und wird auf den doppelten Wert des Widerstandswerts eingestellt, der mit bezug auf Fig. 5 der Spannung Vdata/2 entspricht.
• Wenn dagegen n gegen unendlich geht, geht der kombinierte Widerstandswert Rdm1 (= Rmin/n) gegen 0. Daher entspricht der kombinierte Widerstandswert Rdb dem Widerstandswert Rdm2. Dementsprechend liegt an dem magnetoresistiven Tunnelelement TM1 eine der Vorspannung Vdata entsprechende Spannung an. Der kombinierte Widerstandswert Rdb entspricht einem Widerstandswert, bei dem die Vorspannung Vdata an ein magnetoresistives Tunnelelement angelegt wird, das wie in Fig. 5 dargestellt eine Eigenschaft eines elektrischen Widerstandswertes Rmin aufweist.
• Durch Einstellen der Anzahl der parallel bereitgestellten magnetoresistiven Tunnelelemente kann der kombinierte Widerstandswert Rdb auf einen Wert eingestellt werden, der in einem Bereich von dem doppelten Wert eines elektrischen Widerstandswertes, wenn an ein magnetoresistives Tunnelelement die Spannung Vdata/2 angelegt ist, bis zu einem elektrischen Widerstandswert reicht, wenn die Spannung Vdata angelegt ist.
• Das bedeutet, dass der kombinierte elektrische Widerstandswert Rdb durch Einstellen der Anzahl der parallel geschalteten magnetoresistiven Widerstandselemente TR1 bis TRn auf eine vorbestimmte Anzahl auf einen idealen Zwischenwiderstandswert zwischen den elektrischen Widerstandswerten Rmax und Rmin eingestellt werden kann, die erreicht werden, wenn die Vorspannung Vdata an die ausgewählte Speicherzelle angelegt wird.
• Dementsprechend kann der Zwischenwiderstandswert der Dummyzelle mit der Spannungsabhängigkeit mit hoher Genauigkeit abgeglichen werden. Daher ist es möglich, einen hinreichenden Unterschied zwischen den Widerstandswerten sicherzustellen, d. h. zwischen den Strömen, die durch die Dummyzelle und die ausgewählte Speicherzelle fließen, und der Datenlesevorgang kann mit hoher Geschwindigkeit und stabil durchgeführt werden.
• Auch wenn in der zweiten Ausführungsform ein Aufbau beschrieben wurde, bei dem der kombinierte Widerstandswert Rdb der Dummyzelle auf einen idealen Zwischenwiderstandswert eingestellt wird, indem die Anzahl der parallel geschalteten magnetoresistiven Tunnelelemente auf eine vorbestimmte Anzahl eingestellt wird, ändern sich die Eigenschaften der oben erwähnten elektrischen Widerstandswerte Rmax und Rmin bei der Herstellung. Wie in Fig. 10 dargestellt, hat eine Dummyzelle nach einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform einen Aufbau, bei dem k (k: natürliche Zahl) magnetoresistive Tunnelelemente weiterhin parallel zu den n in Fig. 9 dargestellten magnetoresistiven Tunnelelementen geschaltet sind.
• Mit einem solchen Aufbau kann der kombinierte Widerstandswert Rdb der Dummyzelle im voraus in einem Entwurfsschritt auf einen kleineren Wert eingestellt werden als der gewünschte ideale Zwischenwiderstandswert.
• Somit kann der kombinierte Widerstandswert Rdb in dem Entwurfsschritt fein abgeglichen werden, indem zumindest ein magnetoresistives Tunnelelement, das anfänglich die Eigenschaft des elektrischen Widerstandswerts Rmin aufweist, in ein magnetoresistives Tunnelelement abgewandelt wird, das die Eigenschaft des elektrischen Widerstandswerts Rmax aufweist.
• Dadurch, dass der elektrische Widerstandswert Rdb im voraus auf einen kleineren Wert eingestellt wird, kann der Aufbau an die Schwankung bei der Herstellung angepasst werden, und gleichzeitig kann der Zwischenwiderstandswert der Dummyzelle, die eine höhere Spannungsabhängigkeit hat als bei der zweiten Ausführungsform, mit hoher Genauigkeit abgeglichen werden. Daher ist es möglich, einen hinreichenden Unterschied zwischen den Widerstandswerten sicherzustellen, d. h. zwischen den Strömen, die durch die Dummyzelle und die ausgewählte Speicherzelle fließen, und der Datenlesevorgang kann mit hoher Geschwindigkeit und stabil durchgeführt werden.
• Wie in Fig. 11 dargestellt, unterscheidet sich ein Speicherfeld nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von dem in Fig. 2 dargestellten Speicherfeld darin, dass entsprechend der Referenzbitleitung BLref und jeder Speicherzellenzeile anstelle der Dummyzelle DMC eine Dummyzelleneinheit DMCU bereitgestellt ist. Da es ansonsten denselben Aufbau hat, wird seine detaillierte Beschreibung nicht wiederholt.
• Die Dummyzelleneinheiten DMCU1, DMCU2 und DMCUn (die im folgenden auch kollektiv als "Dummyzelleneinheit DMCU" bezeichnet werden) sind jeweils entsprechend der Referenzbitleitung BLref und den Lesewortleitungen RWL1, RWL2 und RWLn bereitgestellt.
• Die Dummyzelleneinheit DMCU1 beinhaltet magnetoresistive Tunnelelemente TR1 und TM1 und einen Zugriffstransistor ATRd1. Die Dummyzelleneinheit DMCU1 beinhaltet einen magnetoresistiven Abschnitt DTM1, der aus den in Reihe geschalteten magnetoresistiven Tunnelelementen TR1 und TM1 gebildet wird. Der magnetoresistive Abschnitt DTM1 und der Zugriffstransistor ATRd1 sind in Reihe zwischen die Referenzbitleitung BLref und der Massespannung VSS angeordnet. Das Gate des Zugriffstransistors ATRd1 ist elektrisch mit der entsprechenden Lesewortleitung RWL1 verbunden.
• Weiterhin beinhaltet die Dummyzelleneinheit DMCU2 einen magnetoresistiven Abschnitt DTM2, der aus den in Reihe geschalteten magnetoresistiven Tunnelelementen TR2 und TM2 gebildet wird. Der magnetoresistive Abschnitt DTM2 und der Zugriffstransistor ATRd2 sind in Reihe zwischen die Referenzbitleitung BLref und der Massespannung VSS angeordnet. Das Gate des Zugriffstransistors ATRd2 ist elektrisch mit der entsprechenden Lesewortleitung RWL2 verbunden. Da die anderen Dummyzellen denselben Aufbau haben, wird die detaillierte Beschreibung nicht wiederholt.
• Im folgenden werden die magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 bis TRn und TM1 bis TMn auch kollektiv als "magnetoresistive Tunnelelemente TR und TM" bezeichnet. Die magnetoresistiven Abschnitte DTM1 bis DTMn werden auch kollektiv als "magnetoresistiver Abschnitt DTM" bezeichnet.
• Dabei sind z. B. zwei benachbarte Speicherzellenzeilen als ein Satz ausgebildet, und die zwei magnetoresistiven Abschnitte DTM der entsprechenden Dummyzelleneinheiten DMCU sind elektrisch parallel zueinander geschaltet. In Fig. 11 sind die Speicherzellenzeilen, die jeweils den Lesewortleitungen RWL1 und RWL2 entsprechen, als ein Satz ausgebildet, und die magnetoresistiven Abschnitte DTM1 und DTM2, die jeweils in den entsprechenden Speicherzelleneinheiten DMCU1 und DMCU2 enthalten sind, sind elektrisch parallel zueinander geschaltet. Daher nutzen die Speicherzelleneinheiten DMCU die benachbarten magnetoresistiven Abschnitte miteinander. Mit diesem Aufbau, bei dem die benachbarten magnetoresistiven Abschnitte gemeinsam genutzt werden, kann eine Dummyzelle, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, effizient und leicht für jede Speicherzellenzeile bereitgestellt werden.
• In dem obigen Beispiel wurde ein Aufbau beschrieben, bei dem eine Mehrzahl von Dummyzelleneinheiten DMCU in der Spaltenrichtung angeordnet sind, so dass ein gemeinsames Nutzen von Speicherzellenzeilen ermöglicht wird, und bei dem jeweils zwei Dummyzelleneinheiten DMCU eine Gruppe bilden und die magnetoresistiven Abschnitte, die zu jeder Gruppe gehören, zum Bilden einer Dummyzelle elektrisch miteinander verbunden sind. Die Gruppe ist jedoch nicht darauf beschränkt, zwei Dummyzelleneinheiten DMCU zu umfassen, und der Aufbau kann auch angewendet werden, um eine Dummyzelle zu bilden, bei der eine vorbestimmte Anzahl als Gruppe angeordnet ist.
• Demzufolge kann eine Layoutfläche der Dummyzelle DMC kleiner gemacht werden.
• Wie in Fig. 12 dargestellt, unterscheidet sich ein Speicherfeld nach einer Abwandlung der dritten Ausführungsform von dem in Fig. 11 dargestellten Aufbau darin, dass n benachbarte Speicherzellen eine Gruppe bilden und dass ein Teil der jeweiligen magnetoresistiven Abschnitte DTM der entsprechenden n Dummyzelleneinheiten DMCU elektrisch miteinander verbunden sind. Da der Aufbau ansonsten derselbe ist, wird die detaillierte Beschreibung nicht wiederholt.
• In Fig. 12 bilden n Speicherzellen, die jeweils den Lesewortleitungen RWL1, RWL2 bis RWLn entsprechen, eine Gruppe, und die Dummyzelleneinheiten DMCU1, DMCU2 bis DMCUn sind jeweils so bereitgestellt, dass sie die Speicherzellenzeilen gemeinsam nutzen. In jedem der magnetoresistiven Abschnitte DTM1, DTM2 bis DTMn, die jeweils in den Dummyzelleneinheiten DMCU1, DMCU2 bis DMCUn enthalten sind, ist ein Verbindungsknoten zwischen den magnetoresistiven Tunnelelementen TR und TM elektrisch mit dem Verbindungsknoten des benachbarten magnetoresistiven Abschnitts DTM verbunden. Somit werden die benachbarten magnetoresistiven Tunnelelemente TR der n magnetoresistiven Abschnitte TM, die in den Dummyzelleneinheiten DMCU enthalten sind, die zu derselben Gruppe gehören, gemeinsam genutzt.
• Mit diesem Aufbau, bei dem benachbarte magnetoresistive Tunnelelemente TR der n magnetoresistiven Abschnitte DTM jeweils gemeinsam genutzt werden, kann die mit Bezug auf Fig. 9 beschriebene Dummyzelle DMC effizient und leicht für jede Speicherzellenzeile bereitgestellt werden. Demzufolge kann die Layoutfläche der Dummyzelle DMC kleiner gemacht werden.
• Auch wenn bei der Abwandlung der dritten Ausführungsform die Anzahl der magnetoresistiven Tunnelelemente TR in der Dummyzelle DMC auf n gesetzt wurde, kann die Anzahl entsprechend der Spannungsabhängigkeit des kombinierten Widerstandswerts Rdb der magnetoresistiven Tunnelelemente wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben beliebig eingestellt werden.
• In der Abwandlung der dritten Ausführungsform wurde ein Aufbau beschrieben, in dem das Layout der in Fig. 4 beschriebenen Dummyzelle effizient und einfach verwirklicht wurde, da ein Teil der magnetoresistiven Abschnitte der n benachbarten Dummyzelleneinheiten DMCU gemeinsam genutzt wird.
• In einer vierten Ausführungsform wird ein Aufbau des Layouts der Speicherzelle beschrieben, bei dem die Anzahl der Speicherzelleneinheiten, die entsprechend den Speicherzellenzeilen bereitgestellt sind, nicht der gewünschten Anzahl von Dummyzelleneinheiten entspricht, die zum Bilden der Dummyzelle gemeinsam genutzt werden.
• Als Beispiel wird ein Fall beschrieben, bei dem 256 Speicherzellenzeilen im Voraus in einem Speicherfeld bereitgestellt sind und die Dummyzelle aus fünf (n = 5) benachbarten Speicherzelleneinheiten DMCU gebildet wird, die als Gruppe so angeordnet sind, dass sie die Speicherzellenzeilen gemeinsam nutzen.
• Fig. 13 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Bildung der Dummyzelle in einem Aufbau, in dem Speicherzellenzeilen R1 bis R256 im voraus für das Speicherfeld bereitgestellt werden, indem fünf Dummyzelleneinheiten eine Gruppe bilden.
• Wie in Fig. 13 dargestellt, sind fünf Dummyzelleneinheiten DMCU, die eine Dummyzelle DS1 bilden, entsprechend den Speicherzellenzeilen R1 bis R5 angeordnet. Wenn die Dummyzelleneinheiten DMCU entsprechend in ähnlicher Weise angeordnet werden, können außer der einen Speicherzelle, die der Speicherzellenzeile 256 entspricht, vier von fünf Dummyzelleneinheiten, die eine Dummyzelle DS52 bilden, nicht entsprechend den Speicherzellenzeilen angeordnet werden. In dem Aufbau nach der vierten Ausführungsform sind im voraus redundante Speicherzellenzeilen entsprechend der gewünschten Anzahl von Dummyzelleneinheiten, die eine Gruppe bilden sollen, bereitgestellt.
• Wie in Fig. 13 dargestellt, sind entsprechend den verbleibenden vier Dummyzelleneinheiten, die die Dummyzelle DS52 bilden, red- undante Speicherzellenzeilen RM1 bis RM4 jeweils bereitgestellt.
• Insbesondere sind die redundanten Speicherzellenzeilen in einer Anzahl bereitgestellt, die dem Rest der Division P/Q entspricht, wobei P die Anzahl der vorbestimmten Speicherzellenzeilen und Q die Anzahl der gemeinsam genutzten Speicherzelleneinheiten bedeutet.
• Die Fläche des Speicherfelds kann effizient genutzt werden, indem redundante Speicherzellenzeilen entsprechend dem Rest von Speicherzelleneinheiten bereitgestellt werden. Weiterhin kann der Herstellungsprozess des Speicherfelds vereinfacht werden, da die Speicherzellenzeilen, die das Speicherfeld bilden, aus einer kontinuierlich wiederholten Einheit gebildet sind.
• In Fig. 14 sind Speicherzellen MC und Dummyzellen DMC nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, die der ersten Zeile der ersten Spalte bis zu der vierten Zeile der zweiten Spalte entsprechen. Stellvertretend sind Lesewortleitungen RWL1 bis RWL4, Schreibwortleitungen WWL1 bis WWL4, Bitleitungen BL1 und BL2 und eine Referenzbitleitung BLref gezeigt, die diesen Speicherzellen und Dummyzellen entsprechen.
• In jeder Speicherzelle MC ist ein Ende des magnetoresistiven Tunnelelements TMR elektrisch mit der Bitleitung BL verbunden, während das andere Ende über einen Kontakt 130 elektrisch mit einem Transistor einer tieferen Lage verbunden ist.
• Wie in Fig. 15 dargestellt, die ein Querschnitt entlang der Linie Z-Z# der Speicherzelle MC ist, ist der Zugriffstransistor ATR in einem P dotierten Bereich 122 auf einem Halbleitersubstrat 120 ausgebildet. Der Zugriffstransistor ATR beinhaltet ndotierte Source/Drainbereiche 123 und 124 sowie einen Gatebereich, der elektrisch mit der Lesewortleitung RWL1 verbunden ist. Der Drain/Sourcebereich 124 führt die Massespannung VSS zu, um während des Datenlesens einen Pfad für einen Lesestrom (Datenlesestrom) zu bilden. Eine in einer ersten Metallverdrahtungsschicht M1 ausgebildete Metallverdrahtung wird als Schreibwortleitung WWL1 verwendet. Eine in einer dritten Metallverdrahtungslage M3 ausgebildete Metallverdrahtung wird als Bitleitung BL1 verwendet. Das magnetoresistive Tunnelelement TMR ist zwischen der dritten Metallverdrahtungsschicht M3, die die Bitleitung BL1 enthält, und einer zweiten Metallverdrahtungsschicht M2 angeordnet. Der Kontakt 130 verbindet den Drain/Sourcebereich 123 und die zweite Metallverdrahtungsschicht M2 über die erste Metallverdrahtungsschicht M1 miteinander.
• Im folgenden wird ein Layout der Dummyzelle DMC beschrieben.
• Mit Bezug zurück auf Fig. 14 beinhaltet die Dummyzelle DMC Dummyzelleneinheiten DMCU1 und DMCU2.
• Auch wenn die in Fig. 16 dargestellte Dummyzelle DMC einen ähnlichen Aufbau hat wie die in der vierten Ausführungsform mit bezug auf Fig. 10 beschriebene Dummyzelle, sind die magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 und TM1 hierbei über Elektroden derselben Polarität in Reihe geschaltet. Genauer gesagt ist die negative Elektrode des einen Elements mit der negativen Elektrode des anderen Elements verbunden.
• Wie in Fig. 17 dargestellt, die ein Querschnitt entlang der Linie X-X# der in Fig. 14 dargestellten Dummyzelle DMC ist, ist in einem p-dotierten Bereich 122 auf dem Halbleitersubstrat 120 ein Zugriffstransistor ATRd1 ausgebildet, wie mit Bezug auf Fig. 15 beschrieben. Der Source/Drainbereich 123 des Zugriffstransistors ATRd1 ist über einen Kontakt 140, der mit der ersten und der zweiten Metallverdrahtungsschicht M1 und M2 verbunden ist, mit der dritten Metallverdrahtungsschicht M3 verbunden. Das magnetoresistive Tunnelelement TM1 ist zwischen der dritten und der zweiten Metallverdrahtungsschicht M3 bzw. M2 angeordnet. Über diese dritte Metallverdrahtungsschicht M3 sind die benachbarten Dummyzelleneinheiten DMCU1 und DMCU2 elektrisch miteinander verbunden.
• Wie in Fig. 18 dargestellt, die ein Querschnitt entlang der Linie Y-Y# der in Fig. 14 dargestellten Dummyzelle DMC ist, sind die magnetoresistiven Tunnelelemente TM1 und TR1 über die zweite Metallverdrahtungsschicht M2 beide an den negativen Elektroden miteinander verbunden.
• Außerdem ist die Referenzbitleitung BLref in der dritten Metallverdrahtungslage M3 ausgebildet, die mit dem magnetoresistiven Tunnelelement TR1 verbunden ist. Die Schreibwortleitung WWL1 ist in der ersten Metallverdrahtungslage M1 ausgebildet, die unterhalb der zweiten Metallverdrahtungslage M2 ausgebildet ist, während die Lesewortleitung RWL1, die mit einem Gate eines Transistors verbunden ist, in einer noch weiter darunter liegenden Lage angeordnet ist.
• Wenn sowohl die positive als auch die negative Elektrode der jeweiligen magnetoresistiven Tunnelelemente TM1 und TR1 elektrisch verbunden sind, ist es erforderlich, wie in Fig. 19 dargestellt, die zweite Metallverdrahtungsschicht M2 und die dritte Metallverdrahtungsschicht M3 über einen Kontakt 128 zu verbinden und das magnetoresistive Tunnelelement TM1 zwischen der dritten Metallverdrahtungsschicht M3 und der zweiten Metallverdrahtungsschicht M2 anzuordnen. Weiterhin sind die zweite Metallverdrahtungsschicht M2 und die dritte Metallverdrahtungsschicht M3 über einen Kontakt 129 elektrisch miteinander verbunden. Somit müssen in diesem Beispiel zusätzlich die Kontakte 128 und 129 bereitgestellt sein, um mit der dritten Metallverdrahtungsschicht verbunden zu werden.
• Daher kann durch das mit Bezug auf Fig. 18 beschriebene Layout dieser Ausführungsform im Gegensatz zu dem in Fig. 19 dargestellten Aufbau eine Dummyzelleneinheit einfach entworfen werden, ohne ein überflüssiges Kontaktloch bereitzustellen, dementsprechend kann eine Dummyzelle einfach entworfen werden.
• Ein in Fig. 20 dargestelltes Layoutmuster nach einer Abwandlung der fünften Ausführungsform unterscheidet sich im Aufbau der Dummyzelle von dem in Fig. 14 dargestellten Layoutmuster. Da es ansonsten denselben Aufbau hat, wird seine detaillierte Beschreibung nicht wiederholt.
• Mit Bezug auf Fig. 21 wird eine Modelldarstellung der Dummyzelle nach der Abwandlung der fünften Ausführungsform beschrieben unter der Annahme, dass die Anzahl der gemeinsam genutzten Dummyzelleneinheiten n = 2 ist. Insbesondere sind ein Verbindungsknoten zwischen den magnetoresistiven Tunnelelementen TR1 und TM1 und ein Verbindungsknoten zwischen den magnetoresistiven Tunnelelementen TR2 und TM2 elektrisch miteinander verbunden.
• Mit Bezug zurück auf Fig. 20 sind dementsprechend die Dummyzelleneinheiten DMCU1 und DMCU2 unter Verwendung der als schraffierte Fläche dargestellten zweiten Metallverdrahtungsschicht elektrisch miteinander verbunden.
• Wie in Fig. 22 dargestellt, die einen Querschnitt entlang der Linie X-X# der in Fig. 20 dargestellten Dummyzelle DMC ist, ist die dritte Metallverdrahtungsschicht M3 im Gegensatz zu dem in Fig. 17 dargestellten Querschnitt zwischen den magnetoresistiven Tunnelelementen TM1 und TM2 aufgetrennt. Da der restliche Aufbau ansonsten derselbe ist wie der in Fig. 17 dargestellte, wird seine Beschreibung nicht wiederholt. Außerdem ist der Querschnitt entlang der Linie Y-Y# ähnlich wie in Fig. 18 dargestellt.
• Die Dummyzelleneinheit kann also auch auf einfache Weise entsprechend dem Aufbau der Dummyzelle nach der Abwandlung der fünften Ausführungsform entworfen werden. Somit kann die Dummyzelle DMC einfach entworfen werden.
• In der oben beschriebenen fünften Ausführungsform wurde ein Layout der Dummyzelleneinheit gezeigt. Insbesondere wurde ein Aufbau beschrieben, bei dem die Seiten der magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 und TM1, die dieselbe Polarität aufweisen, elektrisch in Serie geschaltet sind.
• Das MR-Verhältnis, das man erhält, wenn die Vorspannung an das magnetoresistive Tunnelelement in der positiven Richtung angelegt wird, kann sich aufgrund von Schwankungen bei der Herstellung in seiner Charakteristik von dem unterscheiden, das man erhält, wenn die Vorspannung in der negativen Richtung angelegt wird.
• Wie in Fig. 23 dargestellt, ist die Kennlinie des MR-Verhältnisses in Abhängigkeit von der Vorspannung in positive und negative Richtung unsymmetrisch. Das MR-Verhältnis wird dargestellt durch (Rmax - Rmin)/Rmin.
• In einem solchen Fall, wenn Seiten der magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 und TRM1, die dieselbe Polarität aufweisen, in der oben beschriebenen fünften Ausführungsform elektrisch in Reihe geschaltet sind, liegen an den jeweiligen magnetoresistiven Tunnelelementen jeweils einmal die positive und einmal die negative Vorspannung an. Demzufolge haben die Widerstandswerte der magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 und TM2 einen Ubergang entsprechend den verschiedenen MR-Verhältniseigenschaften, und der Feinabgleich beim Einstellen des Zwischenwiderstandswerts wird sehr schwierig.
• Wenn die MR-Verhältniskennlinie zu positiven und negativen Vorspannungen hin unsymmetrisch ist, werden die magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 und TM1 so miteinander verbunden, dass an beiden entweder die positive oder die negative Vorspannung anliegt. Genauer gesagt sind jeweils die positive Elektrode eines der magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 bzw. TM1 und die negative Elektrode des anderen elektrisch miteinander verbunden.
• Wie in Fig. 24 dargestellt, kann mit diesem Aufbau der Dummyzelle nach der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Zwischenwiderstandswert leicht entworfen werden, da die Widerstandswerte der magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 und TM1 entsprechend derselben Kennlinie des MR-Verhältnisses verlaufen.
• Wenn die magnetoresistiven Tunnelelemente TR1 und TM1 nach der sechsten Ausführungsform in einem Layout ähnlich wie bei der fünften Ausführungsform angeordnet werden, wird der Querschnitt des Aufbaus ähnlich zu dem in Fig. 19 entlang der Linie Y-Y# dargestellten aussehen.

Claims (13)

1. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung mit
einer Mehrzahl von Speicherzellen (MC), die magnetisch geschriebene Speicherdaten halten;
wobei jede dieser Speicherzellen ein magnetoresistives Element (TMR) beinhaltet, das entsprechend dem Speicherdatenwert entweder einen ersten elektrischen Widerstandswert (Rmin) oder einen zweiten elektrischen Widerstandswert (Rmax) aufweist, der größer ist als der erste elektrische Widerstandswert,
der erste und der zweite elektrische Widerstandswert jeweils eine Eigenschaft aufweisen, die sich entsprechend einer Spannung ändert, die zwischen den entgegengesetzten Enden des magnetoresistiven Elements anliegt, und
die magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung weiter beinhaltet:
eine erste Datenleitung (DB), die mit einer ersten Spannung (VCC) verbunden ist und die beim Datenlesen über eine aus der Mehrzahl von Speicherzellen ausgewählte Speicherzelle mit einer zweiten Spannung (VSS) verbunden ist, zum Empfangen eines Datenlesestroms,
eine Dummyzelle (DMC), die so entworfen ist, dass sie einen Zwischenwert des elektrischen Widerstands zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstandswert aufweist,
eine zweite Datenleitung (/DB), die mit der ersten Spannung verbunden ist und die beim Datenlesen über die Dummyzelle mit der zweiten Spannung verbunden ist, zum Empfangen des Datenlesestroms, und
eine Datenleseschaltung (51); die den Lesedatenwert auf der Grundlage eines Unterschieds zwischen den durch die erste und die zweite Datenleitung fließenden Strömen erzeugt;
wobei die Dummyzelle eine Mehrzahl von magnetoresistiven Dummyelementen (TR, TM) enthält, die im wesentlichen dieselbe Eigenschaft aufweisen wie das magnetoresistive Element, und
jedes der magnetoresistiven Dummyelemente mit einem in Reihe geschalteten weiteren magnetoresistiven Dummyelement mit der zweiten Datenleitung verbunden ist und eine Spannung, die an entgegengesetzten Enden jedes magnetoresistiven Dummyelements anliegt, beim Datenlesen kleiner ist als die, die an dem magnetoresistiven Element anliegt.

2. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der jedes der magnetoresistiven Dummyelemente (TR, TM) einen Speicherdatenwert hält, der dem ersten elektrischen Widerstandswert (Rmin) jeder Speicherzelle (MC) entspricht.

3. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der
die Dummyzelle (DMC) L Widerstandsgruppen aufweist (L: ganze Zahl größer gleich 2), die parallel zueinander mit der zweiten Datenleitung (/DB) verbunden sind, und
in jeder Widerstandsgruppe L magnetoresistive Dummyelemente (TR, TM) zueinander in Reihe geschaltet sind.

4. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Dummyzelle (DMC) weiter ein Verbindungssteuerelement beinhaltet zum elektrischen Verbinden eines der Verbindungsknoten zwischen den L zueinander in Reihe geschalteten magnetoresistiven Dummyelementen (TR, TM), die in jeder Widerstandsgruppe enthalten sind, mit einem der Verbindungsknoten zwischen den L zueinander in Reihe geschalteten magnetoresistiven Dummyelementen, die in einer anderen Gruppe enthalten sind.

5. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der
zumindest eines aus der Mehrzahl von in der Dummyzelle enthaltenen magnetoresistiven Dummyelementen (TR, TM) einen Speicherdatenwert hält, der dem zweiten elektrischen Widerstandswert (Rmax) jeder Speicherzelle (MC) entspricht, und
jedes der verbleibenden magnetoresistiven Dummyelemente einen Speicherdatenwert hält, der dem ersten elektrischen Widerstandswert (Rmin) jeder Speicherzelle entspricht.

6. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der
ein vorbestimmtes aus der Mehrzahl von magnetoresistiven Dummyelementen (TR, TM) einen Speicherdatenwert hält, der dem ersten elektrischen Widerstandswert (Rmin) jeder Speicherzelle (MC) entspricht, und
die verbleibenden magnetoresistiven Dummyelemente der Mehrzahl von magnetoresistiven Dummyelementen zueinander parallel geschaltet sind und jedes zu dem einen vorbestimmten magnetoresistiven Dummyelement in Reihe geschaltet ist.

7. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Anzahl der verbleibenden magnetoresistiven Dummyelemente so eingestellt wird, dass ein kombinierter Widerstandswert der Mehrzahl von magnetoresistiven Dummyelementen (TR, TM) kleiner wird als ein Entwurfswert des elektrischen Widerstands der Dummyzelle, wenn jedes der verbleibenden magnetoresistiven Dummyelemente einen Speicherdatenwert hält, der dem ersten elektrischen Widerstandswert (Rmin) jeder Speicherzelle (MC) entspricht.

8. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der
zumindest eines der verbleibenden magnetoresistiven Dummyelemente (TR, TM) einen Speicherdatenwert hält, der dem zweiten elektrischen Widerstandswert (Rmax) jeder Speicherzelle (MC) entspricht,
ein anderes der verbleibenden magnetoresistiven Dummyelemente einen Speicherdatenwert hält, der dem ersten elektrischen Widerstandswert (Rmin) jeder Speicherzelle entspricht, und
die Anzahl der verbleibenden magnetoresistiven Dummyelemente so eingestellt wird, dass ein kombinierter Widerstandswert der Mehrzahl von magnetoresistiven Dummyelementen ein Entwurfswert des elektrischen Widerstands der Dummyzelle wird.

9. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der
jedes aus der Mehrzahl von magnetoresistiven Dummyelementen (TR, TM) und das magnetoresistive Element (TMR) beinhalten:
eine erste magnetische Schicht (FL) mit einer festen Magnetisierungsrichtung,
eine zweite magnetische Schicht (VL), die entsprechend dem Speicherdatenwert entweder in die selbe oder in die entgegengesetzte Richtung magnetisiert ist wie die erste magnetische Schicht, und
eine Isolierschicht (TB), die zwischen der ersten und der zweiten magnetischen Schicht ausgebildet ist;
wobei die magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung weiter eine leitfähige Verdrahtung (M2) beinhaltet zum elektrischen Verbinden jeweils der ersten magnetischen Schicht des magnetoresistiven Dummyelements mit der ersten magnetischen Schicht eines anderen in Reihe geschalteten magnetoresistiven Dummyelements.

10. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der
jedes aus der Mehrzahl von magnetoresistiven Dummyelementen (TR, TM) und das magnetoresistive Element (TMR) beinhalten:
eine erste magnetische Schicht (FL) mit einer festen Magnetisierungsrichtung,
eine zweite magnetische Schicht (VL), die entsprechend dem Speicherdatenwert entweder in die selbe oder in die entgegengesetzte Richtung magnetisiert ist wie die erste magnetische Schicht, und
eine Isolierschicht (TB), die zwischen der ersten und der zweiten magnetischen Schicht ausgebildet ist;
wobei die magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung weiter eine leitfähige Verdrahtung (M2, M3) beinhaltet zum elektrischen Verbinden jeweils der ersten magnetischen Schicht des magnetoresistiven Dummyelements mit der zweiten magnetischen Schicht eines anderen in Reihe geschalteten magnetoresistiven Dummyelements.

11. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung mit
einer Mehrzahl von Speicherzellen (MC), die in Zeilen und Spalten angeordnet sind, von denen jede einen magnetisch geschriebenen Speicherdatenwert hält,
einer Mehrzahl von Lesewortleitungen (RWL), die jeweils entsprechend den Zeilen der Mehrzahl von Speicherzellen bereit gestellt sind und die beim Datenlesen selektiv aktiviert werden, und
einer Mehrzahl von ersten Datenleitungen (DB), die jeweils entsprechend den Spalten der Mehrzahl von Speicherzellen bereit gestellt sind und von denen jede beim Datenlesen selektiv mit einer aus der Mehrzahl von Speicherzellen ausgewählten Speicherzelle verbunden ist und einen Datenlesestrom empfängt;
wobei jede Speicherzelle beinhaltet:
ein magnetoresistives Element (TMR), das entsprechend dem Speicherdatenwert entweder einen ersten elektrischen Widerstandswert (Rmin) oder einen zweiten elektrischen Widerstandswert (Rmax) aufweist, der größer ist als der erste elektrische Widerstandswert, und
ein Zugriffselement (ATR), das in Reihe zu dem magnetoresistiven Element zwischen die entsprechende erste Datenleitung und eine vorbestimmte Spannung geschaltet ist und das als Reaktion auf die Aktivierung der entsprechenden Lesewortleitung eingeschaltet wird;
wobei der erste und der zweite elektrische Widerstandswert jeweils eine Eigenschaft aufweisen, die sich entsprechend einer Spannung ändert, die zwischen den entgegengesetzten Enden des magnetoresistiven Elements anliegt, und
die magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung weiter beinhaltet:
eine Dummyzelle (DMC), die so entworfen ist, dass sie einen Zwischenwert des elektrischen Widerstands zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstandswert aufweist,
eine zweite Datenleitung (/DB), die beim Datenlesen mit der Dummyzelle verbunden ist, zum Ermöglichen des Hindurchfließens des Datenlesestroms, und
eine Datenleseschaltung (51); die den Lesedatenwert auf der Grundlage eines Unterschieds zwischen den durch eine aus der Mehrzahl von ersten Datenleitungen und durch die zweite Datenleitung fließenden Strömen erzeugt;
wobei jede Dummyzelle (DMCU) eine vorbestimmte Anzahl von Dummyzelleneinheiten aus einer Mehrzahl von Dummyzelleneinheiten enthält, die in eine Mehrzahl von Gruppen aufgeteilt sind, die entlang der Spaltenrichtung angeordnet sind, so dass sie eine Speicherzellenzeile mit der Mehrzahl von Speicherzellen gemeinsam nutzen,
jede Dummyzelleneinheit entsprechend einer Speicherzellenzeile angeordnet ist, so dass sie die zweite Datenleitung gemeinsam nutzen, und
jede Dummyzelleneinheit beinhaltet:
ein erstes magnetoresistives Dummyelement (TR), das zwischen die zweite Datenleitung und einen inneren Knoten geschaltet ist,; und
ein Dummyzugriffselement ATRd, das als Reaktion auf die Aktivierung der entsprechenden Lesewortleitung eingeschaltet wird und die vorbestimmte Spannung mit dem ersten magnetoresistiven Dummyelement verbindet;
wobei der innere Knoten mit jedem der inneren Knoten in einer anderen Dummyzelleneinheit, die aus der Mehrzahl von Gruppen zu derselben Gruppe gehört, elektrisch verbunden ist.

12. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 11, bei der jede Dummyzelleneinheit (DMCU) ein zweites magnetoresistives Dummyelement (TM) beinhaltet, das zwischen dem inneren Knoten und dem Dummyzugriffselement (ATRd) angeordnet ist.

13. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei der
die Anzahl der Mehrzahl von Dummyzelleneinheiten (DMCU) größer ist als die Anzahl der Speicherzellen (MC), die in jeder Spalte enthalten sind,
die magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung weiter eine Mehrzahl von redundanten Speicherzellen beinhaltet, die in einem an die Mehrzahl von Dummyzelleneinheiten und die Mehrzahl von Speicherzellen angrenzenden Bereich in Zeilen und Spalten angeordnet sind, zum Reparieren einer defekten Speicherzelle aus der Mehrzahl von Speicherzellen, und
die Mehrzahl von redundanten Speicherzellen für jede Zeile eine redundante Speicherzellenzeile bildet, wobei jede redundante Speicherzellenzeile entsprechend jeder der Dummyzelleneinheiten angeordnet ist, die redundant in der Spaltenrichtung angeordnet sind.