半導体記憶装置
【課題】誤書込を抑制することが可能なＭＲＡＭ装置を提供する。
【解決手段】三角波状のパルス電流Ｉｗをワード線に流してパルス磁場をトンネル磁気抵抗素子の自由層に印加する。また、パルス電流Ｉｗがピークに達した後にピークに達する三角波状のパルス電流Ｉｂをビット線に流してパルス磁場を自由層に印加する。これにより、自由層の磁化ベクトルの歳差運動をその熱揺動よりも大きくして、パルス電流Ｉｗのみで自由層の磁化方向が反転するのを防止できる。また、パルス電流Ｉｂによって自由層の磁化方向を確実に反転させることができる。
【解決手段】三角波状のパルス電流Ｉｗをワード線に流してパルス磁場をトンネル磁気抵抗素子の自由層に印加する。また、パルス電流Ｉｗがピークに達した後にピークに達する三角波状のパルス電流Ｉｂをビット線に流してパルス磁場を自由層に印加する。これにより、自由層の磁化ベクトルの歳差運動をその熱揺動よりも大きくして、パルス電流Ｉｗのみで自由層の磁化方向が反転するのを防止できる。また、パルス電流Ｉｂによって自由層の磁化方向を確実に反転させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は半導体記憶装置に関し、特に、磁気抵抗素子を含む半導体記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）は、各々が、抵抗値のレベル変化によってデータ信号を記憶する複数の磁気抵抗素子を備えている。各磁気抵抗素子は磁化容易軸と磁化困難軸を有する自由層を含み、磁気抵抗素子の抵抗値は自由層の磁化方向に応じて変化する。複数の磁気抵抗素子は、複数行複数列に配置されている。
【０００３】
また、ＭＲＡＭは、それぞれ複数行に対応して設けられた複数のワード線と、それぞれ複数列に対応して設けられた複数のビット線とを備える。各ワード線は、対応の行の各磁気抵抗素子の下方に設けられ、磁化容易軸方向に延在している。各ビット線は、対応の列の各磁気抵抗素子の上に設けられ、磁化困難軸方向に延在している。書込動作時は、選択されたワード線に活性化電流を流すとともに、書込データ信号の論理に応じた極性の書込電流を選択されたビット線に流し、選択された磁気抵抗素子の自由層の磁化方向を反転させる。
【０００４】
特許文献１には、書込動作時に、書込電流が活性化電流よりも所定時間だけ遅延して供給され、活性化電流と書込電流の両方が流されている期間においてデータ信号を磁気抵抗素子に書込むＭＲＡＭが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、活性化電流を流しながら、負の書込電流と正の書込電流を順次流して磁気抵抗素子の磁化方向を反転させるＭＲＡＭが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５２８６６５号公報
【特許文献２】特開２００４−１５２４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来のＭＲＡＭでは、活性化電流または書込電流によって発生する磁場の影響により、選択されていない磁気抵抗素子の記憶データの論理が反転し、誤書込が発生するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。代表的な実施の形態による半導体記憶装置は、磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子の自由層に磁化困難軸方向の第１のパルス磁場を印加するためのワード線と、自由層に磁化容易軸方向の第２のパルス磁場を印加するためのビット線と、第１のパルス電流をワード線に流して第１のパルス磁場を発生させるとともに、第２のパルス電流をビット線に流して第２のパルス磁場を発生させ、自由層の磁化方向を反転させる駆動回路とを備える。第１および第２のパルス電流の各々は三角波状であり、第１のパルス電流がピークに達した後に第２のパルス電流がピークに達する。
【発明の効果】
【０００９】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。すなわち、第１のパルス電流がピークに達した後にピークに達する三角波状の第２のパルス電流をビット線に流すので、第１のパルス電流によって活性化された自由層の磁化方向を確実に反転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本願発明の基礎となるＭＲＡＭの全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示したメモリセルの構成を示す回路図である。
【図３】図２に示したメモリセルの構成を示す断面図である。
【図４】図３に示したトンネル磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
【図５】図１に示したメモリアレイのうちのデータ書込に関連する部分を示す図である。
【図６】図５に示した活性化電流および書込電流を示すタイムチャートである。
【図７】図１〜図６に示したＭＲＡＭの問題点を説明するための図である。
【図８】図１〜図６に示したＭＲＡＭの問題点を説明するための他の図である。
【図９】本実施の形態においてワード線に印加されるパルス電流の波形を示すタイムチャートである。
【図１０】本実施の形態においてビット線に印加されるパルス電流の波形を示すタイムチャートである。
【図１１】図９および図１０に示したワード線電流とビット線電流の関係を示すタイムチャートである。
【図１２】図１１で示したパルス電流Ｉｗ，Ｉｂによって発生するパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの波形を示すタイムチャートである。
【図１３】図１２に示したパルス磁場Ｈｈのみが印加される半選択ビットの磁化変化を示すタイムチャートである。
【図１４】図１２に示したパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの両方が印加される選択ビットの磁化変化を示すタイムチャートである。
【図１５】比較例の半選択ビットの磁化変化を示すタイムチャートである。
【図１６】図１５に示した軌跡Ａに対応する磁化ベクトルの軌跡を示す図である。
【図１７】図１５に示した軌跡Ｂに対応する磁化ベクトルの軌跡を示す図である。
【図１８】図１５に示した軌跡Ｃに対応する磁化ベクトルの軌跡を示す図である。
【図１９】本実施の形態の半選択ビットの磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２０】図１５に示した軌跡Ｄに対応する磁化ベクトルの軌跡を示す図である。
【図２１】図１５に示した軌跡Ｅに対応する磁化ベクトルの軌跡を示す図である。
【図２２】パルス磁場Ｈｅ，Ｈｈを順次印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２３】パルス磁場Ｈｅ，Ｈｈを同時に印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２４】パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅを順次印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２５】パルス磁場Ｈｈの印加後にパルス磁場Ｈｅを印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２６】パルス磁場Ｈｈを印加して所定時間経過後にパルス磁場Ｈｅを印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２７】パルス磁場Ｈｅを弱めて図２４のタイミングでパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅを印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２８】パルス磁場Ｈｅを弱めて図２５のタイミングでパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅを印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２９】パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピークの時間差と、磁化を反転させるのに必要なパルス磁場Ｈｅのピーク値の絶対値との関係を示す図である。
【図３０】ワード線に印加するパルス電流の波形を説明するためのタイムチャートである。
【図３１】図３０に示したパルス電流の波形の変更例を示すタイムチャートである。
【図３２】ワード線に印加するパルス電流Ｉｗの動作領域を示す図である。
【図３３】ビット線に印加するパルス電流の波形を説明するためのタイムチャートである。
【図３４】磁化の振動回数を低減化する方法を説明するためのタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［ＭＲＡＭの一般的構成］
実施の形態について説明する前に、まず本願発明の基礎となるＭＲＡＭについて説明する。図１は、ＭＲＡＭの全体構成を示すブロック図である。図１において、このＭＲＡＭは、メモリアレイＭＡを備える。メモリアレイＭＡは、複数行複数列に配置された複数のメモリセルＭＣと、それぞれ複数行に対応して設けられた複数のワード線ＷＬと、それぞれ複数行に対応して設けられた複数の読出ワード線ＷＬＲと、それぞれ複数列に対応して設けられた複数のビット線ＢＬとを含む。
【００１２】
メモリセルＭＣは、図２に示すように、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲおよびアクセストランジスタ（ＮチャネルＭＯＳトランジスタ）ＡＴＲを含む。トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの一方端は、対応のビット線ＢＬに接続される。アクセストランジスタＡＴＲのドレインはトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの他方端子に接続され、そのゲートは読出ワード線ＷＬＲに接続され、そのソースは接地電圧ＶＳＳのラインに接続される。
【００１３】
書込動作時は、ワード線ＷＬに活性化電流を流すとともに、書込データ信号の論理レベルに応じた方向の書込電流をビット線ＢＬに流す。これにより、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値が高値ＲＨまたは低値ＲＬになる。ＲＨおよびＲＬは、たとえば、それぞれデータ信号“１”（「Ｈ」レベル）および“０”（「Ｌ」レベル）に対応付けられる。
【００１４】
読出動作時は、読出用ワード線ＷＬＲを活性化レベルの「Ｈ」レベルにしてアクセストランジスタＡＴＲをオンさせ、ビット線ＢＬに所定の読出電圧ＶＲを印加する。このとき、ビット線ＢＬからメモリセルＭＣを介して接地電圧ＶＳＳのラインに流れる電流ＩＲと所定のしきい値電流ＩＴＨとを比較する。ＩＲ＞ＩＴＨである場合は、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は低値ＲＬであるので、メモリセルＭＣからデータ信号“０”が読み出される。ＩＲ＜ＩＴＨである場合は、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は高値ＲＨであるので、メモリセルＭＣからデータ信号“１”が読み出される。
【００１５】
図１に戻って、ＭＲＡＭは、さらに、行デコーダ１、ＷＬドライバ２、列デコーダ３、ＢＬドライバ４，５、および読出回路６を備える。行デコーダ１は、行アドレス信号に従って、複数行のうちのいずれかの行を選択する。ＷＬドライバ２は、書込動作時は行デコーダ１によって選択された行のワード線ＷＬに活性化電流を流し、読出動作時は行デコーダ１によって選択された行の読出用ワード線ＷＬＲを活性化レベルの「Ｈ」レベルにする。
【００１６】
列デコーダ３は、列アドレス信号に従って、複数列のうちのいずれかの列を選択する。ＢＬドライバ４は各ビット線ＢＬの一方端に接続され、ＢＬドライバ５は各ビット線ＢＬの他方端に接続される。ＢＬドライバ４，５は、書込動作時に、列デコーダ３によって選択されたビット線ＢＬに、書込データ信号の論理レベルに応じた方向の電流を流す。読出回路６は、読出動作時に、列デコーダ３によって選択された列のビット線ＢＬに所定の読出電圧ＶＲを印加し、選択されたメモリセルＭＣに流れる電流ＩＲに基づいてメモリセルＭＣの記憶データを読み出す。
【００１７】
図３（ａ）はメモリセルＭＣの構成を示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線断面図である。図３（ａ）（ｂ）において、アクセストランジスタＡＴＲは半導体基板の表面に形成され、そのソースは接地電圧ＶＳＳを受ける。アクセストランジスタＡＴＲの上方に長方形の下部電極ＢＥが形成される。下部電極ＢＥの下面の一方端部（図３では左側端部）はビアホールＶＨ、電極ＥＬ、ビアホールＶＨなどを介してアクセストランジスタＡＴＲのドレインに接続される。
【００１８】
トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲは、下部電極ＢＥの上面の他方端部（図３（ａ）では右側端部）の上に楕円形状に形成される。下部電極ＢＥの短辺の方向をＸ方向とし、長辺の方向をＹ方向とすると、楕円形状のトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの長軸および短軸はそれぞれＸ方向およびＹ方向に向けられる。トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの長軸および短軸は、それぞれ磁化容易軸および磁化困難軸となる。長軸の長さａは、短軸の長さｂよりも長い。
【００１９】
トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲは、図４に示すように、下部電極ＢＥの表面にシード層１１、固定層１２、トンネル絶縁膜１３、自由層１４、およびキャップ層１５を積層したものである。固定層１２は、固定された一定の磁化方向を有する強磁性体層である。自由層１４は、書込データ信号の論理レベルに応じて、固定層１２と同一方向または反対方向に磁化される。固定層１２と自由層１４の磁化方向が同一方向である場合は、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は低値ＲＬになる。固定層１２と自由層１４の磁化方向が反対方向である場合は、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は高値ＲＨになる。
【００２０】
なお、固定層１２はトンネル絶縁膜１３に接する強磁性体層で形成され、シード層１１に固定層１２の強磁性体層の磁化方向を一定方向に保つための反強磁性体層が含まれていてもよい。この場合、固定層１２の強磁性体層と、シード層１１の反強磁性体層とは、交換結合しており、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲはスピンバルブ構造を有している。
【００２１】
ワード線ＷＬは、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの下方であって、下部電極ＢＥの他方端部（図３（ａ）（ｂ）では右側端部）の下方に形成され、Ｘ方向に延在する。ワード線ＷＬに活性化電流を流すと、ワード線ＷＬの周りに磁化困難軸方向（短軸方向）の磁場が発生する。ビット線ＢＬは、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの上に形成され、Ｙ方向に延在する。ビット線ＢＬに書込電流を流すと、ビット線ＢＬの周りに磁化容易軸方向（長軸方向）の磁場が発生する。ワード線ＷＬからの磁場とビット線ＢＬからの磁場との合成磁場により、自由層１４の磁化方向が書き換えられる。
【００２２】
図５は、メモリアレイＭＡのうちにデータ書込に関連する部分を示す図である。図５において、メモリアレイＭＡは、複数行複数列に配置された複数のトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲと、それぞれ複数行に対応して設けられた複数のワード線ＷＬと、それぞれ複数列に対応して設けられた複数のビット線ＢＬとを含む。各トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲは楕円形状に形成されており、楕円の長軸（磁化容易軸）はワード線ＷＬの延在方向に向けられ、楕円の短軸（磁化困難軸）はビット線ＢＬの延在方向に向けられている。
【００２３】
書込動作時は、複数のワード線ＷＬのうちの選択された１本のワード線ＷＬｉに活性化電流Ｉｗが流され、そのワード線ＷＬｉの周りに磁場が発生する。また、複数のビット線ＢＬのうちの選択された１または２以上のビット線ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１の各々に書込データ信号の論理レベルに応じた方向の書込電流Ｉｂが流され、ビット線ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１の各々の周りに磁場が発生する。これにより、ワード線ＷＬｉとビット線ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１の交差部のトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４の磁化方向が書き換えられる。
【００２４】
図６（ａ）はワード線電流（活性化電流）Ｉｗの波形を示すタイムチャートであり、図６（ｂ）はビット線電流（書込電流）Ｉｂの波形を示すタイムチャートである。図６（ａ）（ｂ）を参照して、ワード線電流Ｉｗは、時刻ｔ１〜ｔ２において０Ａから所定の電流値Ｗ０に立ち上げられ、時刻ｔ２〜ｔ５において所定の電流値Ｗ０に維持され、時刻ｔ５〜ｔ６において所定の電流値Ｗ０から０Ａに立ち下げられる。
【００２５】
また、ビット線電流Ｉｂは、たとえばデータ信号“１”を書き込む場合、時刻ｔ３〜ｔ４において０Ａから所定の電流値Ｂ０に立ち上げられ、時刻ｔ４〜ｔ７において所定の電流値Ｂ０に維持され、時刻ｔ７〜ｔ８において所定の電流値Ｂ０から０Ａに立ち下げられる。また、ビット線電流Ｉｂは、たとえばデータ信号“０”を書き込む場合、時刻ｔ３〜ｔ４において０Ａから所定の電流値（−Ｂ０）に立ち下げられ、時刻ｔ４〜ｔ７において所定の電流値（−Ｂ０）に維持され、時刻ｔ７〜ｔ８において所定の電流値（−Ｂ０）から０Ａに立ち上げられる。
【００２６】
時刻ｔ４〜ｔ５では、ワード線ＷＬとビット線ＢＬの両方に電流が流されており、この期間にワード線ＷＬとビット線ＢＬの交差部のトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲのデータ信号が書き換えられる。
【００２７】
［ＷＬディスターブ］
図５において、選択されたワード線ＷＬｉに電流Ｉｗを流すと、そのワード線ＷＬｉの周りに磁場が発生する。このとき、選択されたワード線ＷＬｉに対応するが、選択されていないビット線ＢＬに対応するトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの記憶データが、ワード線ＷＬｉの周りの磁場の影響を受けて書き換えられる現象をＷＬディスターブという。
【００２８】
すなわち、ワード線ＷＬに電流を流すと、図７（ａ）に示すようにワード線ＷＬの周りに磁場Ｈが発生し、図７（ｂ）に示すようにトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４の磁化方向が初期状態（長軸方向）から短軸方向に傾く。自由層１４は楕円状に形成されており、形状異方性を有する。このため自由層１４の磁化方向は、楕円の長軸方向で安定し、長軸方向から傾くと不安定になる。また、有限温度では、磁化方向は熱により揺らぐ。このため、図７（ｃ）（ｄ）に示すようにワード線ＷＬへの電流供給を停止すると、そのときの磁化方向に応じて反転したりしなかったりする。磁化方向の熱揺らぎは電流Ｉｗを印加する毎に異なるので、同じトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲに対して同じ値、パルス幅の電流Ｉｗを印加しても、１００％反転する（あるいは反転しない）ことはない。
【００２９】
図８（ａ）（ｂ）はＷＬディスターブのシミュレーション結果を示す図である。特に、図８（ａ）は、図６（ａ）で示したような波形の電流Ｉｗをワード線ＷＬに流したときに、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４に発生する磁場Ｈｈを示している。また、図８（ｂ）は、自由層１４の磁化方向の変化の軌跡を示しており、１００回分の軌跡を重ねて描いたものである。
【００３０】
このとき、自由層１４の長軸の長さａを４２５ｎｍとし、その短軸の長さｂを２００ｎｍとし、その厚さを２ｎｍとした。自由層１４の材料をパーマロイ（ＮｉＦｅ）とし、系の温度を４５０Ｋとした。
【００３１】
ワード線ＷＬの電流Ｉｗを１ｎ秒かけて０Ａから所定値Ｗ０に立ち上げ、所定値Ｗ０に５ｎ秒間だけ維持し、１ｎ秒かけて所定値Ｗ０から０Ａに立ち下げた。これにより、図８（ａ）に示すように、電流Ｉｗと同様の波形の磁場Ｈｈが発生した。図８（ａ）の縦軸は、磁場Ｈを自由層１４の異方性磁界Ｈｋで除算したものである。このような磁場Ｈｈを上記の自由層１４に印加し、磁化方向の変化を求めた。磁場Ｈｈを１回印加する毎に自由層１４の磁化を初期磁化状態にリセットし、自由層１４に合計１００回、磁場Ｈｈを印加した。
【００３２】
図８（ｂ）の縦軸は、規格化された磁化Ｍｘ／Ｍであり、自由層１４の磁化ベクトルのＸ方向（長軸方向）の成分を示している。Ｍｘ／Ｍ＝１は、自由層１４の磁化方向が反転されていない状態を示している。Ｍｘ／Ｍ＝０は、自由層１４の磁化方向がＹ方向に向けられた状態を示している。Ｍｘ／Ｍ＝−１は、自由層１４の磁化方向が反転された状態を示している。
【００３３】
図８（ａ）（ｂ）において、同一の自由層１４に同じ波形の磁場Ｈｈを印加しても、試行毎に磁化変化の軌跡が異なり、全試行における磁化変化の軌跡を重ね合わせると帯のような広がりが見られることから、熱揺らぎの影響が大きいことが分かる。その結果として磁場Ｈｈの印加中に、図７（ｃ）（ｄ）で示したように自由層１４の磁化が状態（Ａ）や（Ｂ）になり、状態（Ｂ）を経て最終的に反転した場合が、ＷＬディスターブを受けた場合に相当する。
【００３４】
［実施の形態］
本願発明では、書込動作時に、選択されたワード線ＷＬに三角波状のパルス電流Ｉｗを印加するとともに、選択されたビット線ＢＬに三角波状のパルス電流Ｉｂを印加する。三角波状のパルス電流Ｉｗを急峻に立ち上げて自由層１４の磁化ベクトルの歳差運動を磁化ベクトルの熱揺動よりも大きくし、さらにその運動中にパルス電流Ｉｗを急峻に立ち下げて熱の影響を抑える。これにより、選択されたワード線ＷＬに対応するが、選択されていないビット線ＢＬに対応するメモリセルＭＣ（以下、半選択ビットという）の記憶データが反転するのを１００％防止することができる。また、ワード線電流Ｉｗがピーク値に達した後に、ビット線電流Ｉｂをピーク値にすることにより、選択されたメモリセルＭＣの記憶データを１００％書き換えることができる。以下、本願発明の一実施の形態によるＷＬディスターブの抑制方法（ＭＲＡＭの書込方法）について図面を用いて詳細に説明する。
【００３５】
図９はワード線ＷＬに印加するパルス電流Ｉｗの波形を示すタイムチャートであり、図１０はビット線ＢＬに印加するパルス電流Ｉｂの波形を示すタイムチャートであり、図１１はパルス電流Ｉｗ，Ｉｂの関係を示すタイムチャートである。なお、ＭＲＡＭのデータ書換動作で使用される磁場範囲では、磁場は電流に比例するという経験則が成立するので、図９は磁化困難軸方向の磁場Ｈｈの時間変化も示し、図１０は磁化容易軸方向の磁場Ｈｅの時間変化も示し、図１１は磁化困難軸方向の磁場Ｈｈと磁化容易軸方向の磁場Ｈｅとの関係も示している。
【００３６】
図９に示すように、ワード線電流Ｉｗは、三角波状のパルス電流であり、０Ａからピーク値Ｗまで急峻に立ち上げられ、ピーク値Ｗから０Ａまで急峻に立ち下げられる。また図１０に示すように、ビット線電流Ｉｂは三角波状のパルス電流である。たとえば、データ信号“１”を書き込む場合は、ビット線電流Ｉｂは、０Ａからピーク値Ｂまで急峻に立ち上げられ、ピーク値Ｂから０Ａまで急峻に立ち下げられる。また、データ信号“０”を書き込む場合は、ビット線電流Ｉｂは、０Ａからピーク値（−Ｂ）まで急峻に立ち下げられ、ピーク値（−Ｂ）から０Ａまで急峻に立ち上げられる。
【００３７】
また、図１１に示すように、パルス電流Ｉｗのピーク値Ｗはパルス電流Ｉｂのピーク値の絶対値Ｂよりも大きい。また、パルス電流Ｉｂがピーク値Ｂまたは（−Ｂ）に達する時間ｔｐｂは、パルス電流Ｉｗがピーク値Ｗに達する時間ｔｐｗよりも遅い。パルス電流Ｉｗ，Ｉｂの他の定義については、後述する。
【００３８】
［本実施の形態の効果（１）］
図１２〜図１４は、本実施の形態の効果（１）を示す図である。特に、図１２は、図１１で示したような波形のパルス電流Ｉｗ（またはＩｂ）をワード線ＷＬ（またはビット線ＢＬ）に流したときに、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４に印加されるパルス磁場Ｈｈ（またはＨｅ）を示している。図１２の縦軸は、磁場Ｈを異方性磁界Ｈｋで除算したものである。
【００３９】
また、図１３は、Ｈｈ，ＨｅのうちのＨｈのみを自由層１４に印加した場合における自由層１４の磁化方向の変化の軌跡を示しており、１００回分の軌跡を重ねて描いたものである。また、図１４は、Ｈｈ，Ｈｅの両方を自由層１４に印加した場合における自由層１４の磁化方向の変化の軌跡を示しており、１００回分の軌跡を重ねて描いたものである。
【００４０】
このとき、自由層１４の長軸の長さａを４２５ｎｍとし、その短軸の長さｂを２００ｎｍとし、その厚さを２ｎｍとした。また、自由層１４の材料をパーマロイ（ＮｉＦｅ）とし、自由層１４の温度を４５０Ｋとした。
【００４１】
ワード線ＷＬの電流Ｉｗを１ｎ秒かけて０Ａからピーク値Ｗに立ち上げ、１ｎ秒かけてピーク値Ｗから０Ａに立ち下げた。これにより、図１２に示すように、パルス電流Ｉｗと同様の波形のパルス磁場Ｈｈが発生した。また、ビット線ＢＬの電流Ｉｂを１ｎ秒かけて０Ａからピーク値（−Ｂ）に立ち下げ、１ｎ秒かけてピーク値（−Ｂ）から０Ａに立ち上げた。これにより、図１２に示すように、パルス電流Ｉｂと同様の波形のパルス磁場Ｈｅが発生した。
【００４２】
パルス電流Ｉｂのピークとパルス電流Ｉｗのピークとの時間差は、１ｎ秒である。パルス磁場Ｈｅのピークとパルス磁場Ｈｈのピークとの時間差は、１ｎ秒である。このようなパルス磁場を上記の自由層１４に印加し、磁化方向の時刻変化を求めた。パルス磁場を１回印加する毎に自由層１４の磁化を初期磁化状態にリセットし、自由層１４に合計１００回、パルス磁場を印加した。
【００４３】
図１３および図１４の各々の縦軸は、規格化された磁化Ｍｘ／Ｍであり、自由層１４の磁化ベクトルのＸ方向（長軸方向）の成分を示している。Ｍｘ／Ｍ＝１は、自由層１４の磁化方向が反転されていない状態を示している。Ｍｘ／Ｍ＝０は、自由層１４の磁化方向がＹ方向に向けられた状態を示している。Ｍｘ／Ｍ＝−１は、自由層１４の磁化方向が反転された状態を示している。
【００４４】
図１３から分かるように、図１２に示したパルス磁場Ｈｈのみを自由層１４に印加した場合、自由層１４の磁化は１００回とも反転しなかった。また図１４から分かるように、図１１に示したパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの両方を自由層１４に印加した場合、自由層１４の磁化は１００回とも反転した。なお、ビット線ＢＬの電流Ｉｂに基づくパルス磁場Ｈｅの大きさは保磁力Ｈｃ未満であり、パルス磁場Ｈｅのみでは自由層１４の磁化が１００回とも反転することはない。ここで、保磁力Ｈｃとは、パルス磁場Ｈｅのみで自由層１４の磁化を反転させることが可能な磁場である。つまり、選択されたビット線ＢＬに対応する半選択ビットの記憶データの論理が反転することはない。
【００４５】
［本実施の形態のメカニズム］
次に、本実施の形態のメカニズムについて説明する。図１５（ａ）（ｂ）は、図８（ａ）（ｂ）でも示したＷＬディスターブのシミュレーション結果を示す図である。特に、図１５（ａ）は、図６（ａ）で示したような波形の電流Ｉｗをワード線ＷＬに流したときに、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４に発生する磁場Ｈｈを模式的に示している。また、図１５（ｂ）は、自由層１４の磁化方向の変化の軌跡を示しており、１００回分の軌跡が重ねて描かれている。１００回分の軌跡のうちの３回分の軌跡Ａ，Ｂ，Ｃが得られた場合に、磁化ベクトルが磁化空間（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）をどのように動いたかを図１６〜図１８に示す。
【００４６】
図１６（ａ）〜（ｃ）は、軌跡Ａが得られた場合に、磁化ベクトルが磁化空間（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を動いた軌跡を示す図であり、磁化ベクトルをそれぞれＺＸ平面、ＹＺ平面、ＹＸ平面に投射した図である。図１６（ａ）〜（ｃ）中の細い点線は図１５（ａ）で示したパルス磁場の立ち上がり期間Ｔ１に対応し、太い点線はパルス磁場が一定値に固定された期間Ｔ２に対応し、細い実線はパルス磁場の立ち下がり期間Ｔ３に対応し、太い実線はパルス磁場の印加が終了した後の期間Ｔ４に対応している。図１７（ａ）〜（ｃ）および図１８（ａ）〜（ｃ）の各々も、図１６（ａ）〜（ｃ）と同様である。
【００４７】
図１６〜図１８から分かるように、図１５（ａ）で示した台形状の磁場Ｈｈを自由層１４に印加すると、磁場Ｈｈの立ち上がり期間Ｔ１および立ち下がり期間Ｔ３中に磁化ベクトルが僅かに歳差運動するが、磁化ベクトルはほぼ磁場変化に追随している。磁場変動がもたらす磁化の運動が非常に小さいために熱による磁化揺動が顕在化し、磁場Ｈｈが一定値に固定された期間Ｔ２においてＡ，Ｂ，Ｃで大きな違いが現れていることが分かる。
【００４８】
図１９（ａ）（ｂ）は、図１３でも示したＷＬディスターブのシミュレーション結果を示す図である。特に、図１９（ａ）は、図９で示したような波形のパルス電流Ｉｗをワード線ＷＬに流したときに、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４に発生するパルス磁場Ｈｈを模式的に示している。また、図１９（ｂ）は、自由層１４の磁化方向の変化の軌跡を示しており、１００回分の軌跡を重ねて描いている。１００回分の軌跡のうちの２回分の軌跡Ｄ，Ｅが得られた場合に、磁化ベクトルが磁化空間（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）をどのように動いたかを図２０および図２１に示す。
【００４９】
図２０（ａ）〜（ｃ）は、軌跡Ｄが得られた場合に磁化ベクトルが磁化空間（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を動いた軌跡を示す図であり、磁化ベクトルをそれぞれＺＸ平面、ＹＺ平面、ＹＸ平面に投射した図である。図２０（ａ）〜（ｃ）中の細い点線は図１９（ａ）で示したパルス磁場Ｈｈの立ち上がり期間Ｔ５に対応し、細い実線はパルス磁場Ｈｈの立ち下がり期間Ｔ６に対応し、太い実線はパルス磁場Ｈｈの印加が終了した後の期間Ｔ７に対応している。図２１（ａ）〜（ｃ）も、図２０（ａ）〜（ｃ）と同様である。
【００５０】
図２０および図２１から分かるように、図１９（ａ）で示した三角波状のパルス磁場Ｈｈを自由層１４に印加すると、パルス磁場Ｈｈの立ち上がり期間Ｔ５および立ち下がり期間Ｔ６中に磁化ベクトルが強いジャイロ効果を受けてＺ方向に振られる。このため、磁化ベクトルに回転半径の大きな歳差運動が生じ、磁化ベクトルはパルス磁場Ｈｈに追随していない。この力の起源は磁場（回転軸）の急激な変化により生じた慣性力である。この慣性力と比べて熱がもたらす力は無視できるほど小さくなっている。各試行におけるパルス磁場Ｈｈが同じであれば慣性力も全試行で等しいので、パルス磁場Ｈｈの印加期間Ｔ５，Ｔ６における磁化ベクトルの軌跡はＤとＥで同じである。
【００５１】
すなわち、有限温度における磁場変化時の磁化の応答としては、歳差運動と熱揺動があり、これらは同時に起こっている。本実施の形態では、三角波状のパルス磁場Ｈｈを印加することにより、歳差運動を起こす力を熱揺動を起こす力よりも十分に大きくすることができ、ＷＬディスターブを抑制することができる。
【００５２】
［本実施の形態の効果（２）］
図２２〜図２４は、本実施の形態の効果（２）を示す図である。特に、図２２（ａ）は、図１１で示したような波形のパルス電流Ｉｗ，Ｉｂをそれぞれワード線ＷＬおよびビット線ＢＬに流したときに、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４に印加されるパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅを示している。図２２（ａ）の縦軸は、磁場Ｈを自由層１４の異方性磁界Ｈｋで除算したものである。
【００５３】
また、図２２（ｂ）は、Ｈｈ，Ｈｅの両方を印加した場合における自由層１４の磁化方向の変化の軌跡を示しており、１００回分の軌跡を重ねて描いている。このとき、系の温度を４５０Ｋとした。図２３（ａ）（ｂ）および図２４（ａ）（ｂ）の各々も、図２２（ａ）（ｂ）と同様である。
【００５４】
パルス磁場Ｈｈがピークに達する時間をｔｐｗとし、パルス磁場Ｈｅがピークに達する時間をｔｐｂとすると、図２２（ａ）（ｂ）ではｔｐｗ＞ｔｐｂであり、図２３（ａ）（ｂ）ではｔｐｗ＝ｔｐｂであり、図２４（ａ）（ｂ）ではｔｐｗ＜ｔｐｂである。図２２〜図２４から分かるように、ｔｐｗ＞ｔｐｂおよびｔｐｗ＝ｔｐｂの場合では自由層１４の磁化は反転せず、ｔｐｗ＜ｔｐｂの場合のみで自由層１４の磁化が反転した。
【００５５】
図２２〜図２４では、パルス磁場Ｈｈのピーク値がパルス磁場Ｈｅのピーク値よりも大きいため、パルス磁場Ｈｈによる磁化ベクトルの運動がパルス磁場Ｈｅによる磁化ベクトルの運動よりも大きくなっている。図２２および図２３で磁化が反転しなかったのは、パルス磁場Ｈｅの印加によって発生した磁化ベクトルの運動が、パルス磁場Ｈｈの印加による運動によってかき消されたためである。図２４で磁化が反転したのは、パルス磁場Ｈｈの印加によって発生した磁化ベクトルの運動に、パルス磁場Ｈｅの印加による運動が加えられたためである。
【００５６】
図２２〜図２４で用いたパルス磁場Ｈｅは、図１２〜図１４で用いたパルス磁場Ｈｅと同じであり、保磁力Ｈｃよりも小さい。したがって、パルス磁場Ｈｅのみを自由層１４に印加しても自由層１４の磁化は１００％反転するということはない。しかし、図２５（ａ）（ｂ）に示すように、パルス磁場Ｈｈとパルス磁場Ｈｅのオーバーラップ時間が０でも自由層１４の磁化は１００％反転することが分かった。
【００５７】
これは、パルス磁場Ｈｈの印加を停止しても、磁化ベクトルの運動がエネルギー的に安定な範囲内に収束していないうちに、保磁力Ｈｃ未満のパルス磁場Ｈｅを印加すると磁化を反転させることが可能であることを示している。ただし、図２６（ａ）（ｂ）に示すように、パルス磁場Ｈｈの印加を停止してから十分な時間の経過後にパルス磁場Ｈｅを印加しても磁化は反転しない。
【００５８】
図２４（ａ）（ｂ）では、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピーク値をそれぞれ４．０，−０．５７に設定し、パルス磁場Ｈｈを印加してから１ｎ秒後にパルス磁場Ｈｅを印加した。これに対して図２７（ａ）（ｂ）では、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピーク値をそれぞれ４．０，−０．３４に設定し、パルス磁場Ｈｈを印加してから１ｎ秒後にパルス磁場Ｈｅを印加した。すなわち、図２７（ａ）（ｂ）では、パルス磁場Ｈｅのピーク値の絶対値を０．５７から０．３４に下げて、図２４（ａ）（ｂ）の場合と同じタイミングでパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅを印加した。この場合でも、自由層１４の磁化は反転した。
【００５９】
また図２５（ａ）（ｂ）では、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピーク値をそれぞれ４．０，−０．５７に設定し、パルス磁場Ｈｈを印加してから２ｎ秒後にパルス磁場Ｈｅを印加した。これに対して図２８（ａ）（ｂ）では、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピーク値をそれぞれ４．０，−０．３４に設定し、パルス磁場Ｈｈを印加してから２ｎ秒後にパルス磁場Ｈｅを印加した。すなわち、図２８（ａ）（ｂ）では、パルス磁場Ｈｅのピーク値の絶対値を０．５７から０．３４に下げて、図２５（ａ）（ｂ）の場合と同じタイミングでパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅを印加した。この場合、自由層１４の磁化は反転しなかった。
【００６０】
図２７および図２８から、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピークの時間差（ｔｐｂ−ｔｐｗ）を長くすると、自由層１４の磁化を反転させるのに必要な磁場が大きくなることが分かった。
【００６１】
図２９は、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピークの時間差（ｔｐｂ−ｔｐｗ）と、磁化を反転させるのに必要なパルス磁場Ｈｅのピーク値の絶対値との関係を示す図である。図２９中の領域Ｆが磁化を反転させることが可能な領域である。たとえば、ｔｐｂ−ｔｐｗ＝１ｎ秒である場合は、パルス磁場Ｈｅ／Ｈｋのピーク値の絶対値を０．２４以上で０．７４以下に設定することが必要である。なお、Ｈｅ／ＨｋがＨｃ／Ｈｋ（＝０．７４）を超えると、パルス磁場Ｈｅのみで磁化が反転してしまう。図２９から分かるように、ＨｅがＨｃに近いほどパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの時間差（ｔｐｂ−ｔｐｗ）を長くすることができ、制御性の観点から見ると好ましい。また、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの時間差（ｔｐｂ−ｔｐｗ）を０［ｎ秒］よりも大きく、４［ｎ秒］以下の値に設定することが必要である。パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの各々のパルス幅が２［ｎ秒］である場合、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの時間差（ｔｐｂ−ｔｐｗ）は、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのパルス幅の和（４［ｎ秒］）以下に設定される。
【００６２】
［印加パルスの定義］
図３０は、ワード線ＷＬに印加されるパルス電流Ｉｗの波形を示すタイムチャートである。図３０に示すように、パルス電流Ｉｗは、０Ａからピーク値Ｗに急峻に立ち上げられ、直ぐにピーク値Ｗから０Ａに急峻に立ち下げられ、二等辺三角形状の波形を有する。パルス電流Ｉｗが０Ａから立ち上げられてピーク値Ｗに到達するまでの時間Ｔｗと、パルス電流Ｉｗがピーク値Ｗから立ち上げられて０Ａに到達するまでの時間Ｔｗとは略等しい。Ｔｗは、０．８ｎ秒から１．２ｎ秒までの時間に設定される。すなわち、パルス電流Ｉｗのパルス幅は、１．６ｎ秒から２．４ｎ秒までの時間に設定される。
【００６３】
パルス電流Ｉｗのピーク値Ｗは電流値である。しかし、自由層１４の磁化を反転させるのに必要なパラメータは、パルス電流Ｉｗから生じる磁場のピーク値Ｈｐｗである。経験則としてＷとＨｐｗには、次式（１）が成り立つことが分かっている。
Ｗ＝λｗ・Ｈｐｗ …（１）
ただし、λｗは、電流［ｍＡ］と磁場［Ｏｅ］の比例定数であり、１以下の値である。λｗは、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲとワード線ＷＬの間の距離や、クラッド配線構造などに依存する。λｗの値は、０．１程度が一般的である。
【００６４】
Ｈｐｗは、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの形状や材料に依存し、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの異方性磁界Ｈｋによって特徴付けられる。ＴｗとＨｐｗ，Ｈｋとの間には、経験則として次式（２）が成り立つ。
Ｈｐｗ／Ｈｋ＝кＴｗ＋Ｈｐ０／Ｈｋ …（２）
ただし、кは比例定数である。また、Ｈｐ０は、Ｔｗ＝０において磁化反転を起こさない磁場である。
【００６５】
本実施の形態においては、上記Ｔｗの範囲（０．８〜１．２［ｎ秒］）において次式（３）を満たすＨｐｗであれば、パルス電流Ｉｗのみで自由層１４の磁化反転は起こらない。
［９．１５−０．２］＜Ｈｐ０／Ｈｋ＜［９．１５＋０．２］ …（３）
この範囲のＨｐｗをλｗ倍した値が必要な電流値Ｗとなる。
【００６６】
なお、上記Ｔｗ，Ｗの範囲内であれば、パルス電流Ｉｗの波形は、正確な二等辺三角形状である必要はない。たとえば、図３１（ａ）に示すように、電流Ｉｗの上昇中、下降中に曲線の傾きが変化してもかまわない。また、図３１（ｂ）に示すように、パルス電流Ｉｗが所定時間（たとえば、１００ｐ秒以下の時間）だけピーク値Ｗに維持されてもかまわない。
【００６７】
図３２は、パルス電流Ｉｗの動作領域を示す図である。図３２中の点線は、数式（２）のＨｐｗ／Ｈｋの中点を取った曲線である。図３２の斜線が施された領域Ａ１，Ａ３，Ａ５は、パルス電流Ｉｗのみでは自由層１４の磁化が反転しない領域である。これらの領域Ａ１，Ａ３，Ａ５では、ワード線ＷＬにパルス電流Ｉｗを流すとともにビット線ＢＬにパルス電流Ｉｂを流すことにより、自由層１４の磁化を反転させることができる。
【００６８】
したがって、これらの領域Ａ１，Ａ３，Ａ５は、データ書込に使用できる領域である。ただし、領域Ａ１ではパルス幅２Ｔｗが短くなり過ぎてパルス電流Ｉｗを制御することが難しく、領域Ａ５では電流値Ｗが大きくなるので、領域Ａ３の条件が使用し易い。
【００６９】
図３２のうちの斜線が施されていない領域Ａ２，Ａ４，Ａ６は、パルス電流Ｉｗのみで自由層１４の磁化が反転する領域である。これらの領域Ａ２，Ａ４，Ａ６では、パルス電流Ｉｗを流したワード線ＷＬに対応する行の全メモリセルＭＣの記憶データが反転してしまう。したがって、領域Ａ２，Ａ４，Ａ６は、データ書込に使用できない領域である。
【００７０】
図３３は、ビット線ＢＬに印加されるパルス電流Ｉｂの波形を示すタイムチャートである。図３３に示すように、パルス電流Ｉｂは、０Ａからピーク値Ｂに急峻に立ち上げられ、直ぐにピーク値Ｂから０Ａに急峻に立ち下げられ、二等辺三角形状の波形を有する。パルス電流Ｉｂが０Ａから立ち上げられてピーク値Ｂに到達するまでの時間Ｔｂと、パルス電流Ｉｂがピーク値Ｂから立ち上げられて０Ａに到達するまでの時間Ｔｂとは略等しい。Ｔｂは、０．８ｎ秒から１．２ｎ秒までの時間に設定される。すなわち、パルス電流Ｉｂのパルス幅は、１．６ｎ秒から２．４ｎ秒までの時間に設定される。
【００７１】
パルス電流Ｉｂのピーク値Ｂは電流値である。しかし、自由層１４の磁化を反転させるのに必要なパラメータは、パルス電流Ｉｂから生じる磁場のピーク値Ｈｐｂである。経験則としてＢとＨｐには、次式（４）が成り立つことが分かっている。
Ｂ＝λｂ・Ｈｐｂ …（４）
ただし、λｂは、電流［ｍＡ］と磁場［Ｏｅ］の比例定数であり、１以下の値である。λｂは、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲとワード線ＷＬの間の距離や、クラッド配線構造などに依存する。λｂの値は、０．１程度が一般的である。λｂは、必ずしもλｗと一致しない。
【００７２】
Ｈｐｂは、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの形状や材料に依存し、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの保磁力Ｈｃによって特徴付けられる。Ｈｐｂ＜Ｈｃが成り立つ。したがって、Ｂ＜λｂ・Ｈｃとなる。
【００７３】
保磁力Ｈｃは、パルス電流Ｉｂによって発生するパルス磁場のみで磁化反転が起こる際の臨界磁場であり、通常、Ｈｃ≦Ｈｋである。したがって、Ｂ＜Ｗである。なお、上述のようなパルス電流Ｉｂを採用することにより、消費電流の低減化を図ることができる。
【００７４】
［制御性の向上］
図３４（ａ）に示すように、自由層１４の磁化Ｍｘ／Ｍは、ワード線ＷＬへのパルス電流Ｉｗの印加に応答して、Ｍｘ／Ｍ＝０を境にして複数回振動する。これは、磁化Ｍｘ／Ｍが反転に近い状態と非反転に近い状態とを短時間で繰り返していることを示している。反転状態と非反転状態のうちのいずれの状態で磁化Ｍｘ／Ｍが停止するかは、パルス電流Ｉｗの条件で決まる。その結果が図３２で示されている。
【００７５】
図３２の動作マージンを拡大するためには、磁化Ｍｘ／Ｍの振動数を減らせばよい。磁化Ｍｘ／Ｍの振動数を減らす方法としては、メモリセルＭＣの面積を縮小する第１の方法と、ギルバート減衰定数αを大きくする第２の方法がある。第１および第２の方法の両方を行ってもよい。ギルバート減衰定数αを大きくする具体的な方法としては、スピンポンピングを利用する方法、すなわち図４で示したキャップ層１５をスピン緩和の大きな材料（白金、パラジウム）で形成する方法がある。
【００７６】
図３４（ａ）は、図１９（ｂ）の時間軸を拡大した図である。図３４（ａ）の試行では、長軸長ａが４２５ｎｍで、短軸長ｂが２００ｎｍの楕円形状の自由層１４を使用した。図３４（ｂ）の試行では、長軸長ａが２１０ｎｍで、短軸長ｂが１００ｎｍの楕円形状の自由層１４を使用した。図３４（ｃ）の試行では、長軸長ａが２１０ｎｍで、短軸長ｂが１００ｎｍの楕円形状の自由層１４を使用し、かつギルバート減衰定数αを図３４（ａ）（ｂ）の場合の５倍にした。
【００７７】
図３４（ａ）（ｂ）（ｃ）において、磁化Ｍｘ／ＭがＭｘ／Ｍ＝０の直線と交差する回数は、それぞれ６回、４回、２回であった。磁化Ｍｘ／Ｍの振動回数は、図３４（ａ）（ｂ）（ｃ）と順次減少している。これは、図３４（ｃ）の場合に、パルス電流Ｉｗの制御が最も容易になることを示している。
【００７８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７９】
ＭＡ メモリアレイ、ＭＣ メモリセル、ＷＬ ワード線、ＷＬＲ 読出ワード線、ＢＬ ビット線、ＴＭＲ トンネル磁気抵抗素子、ＡＴＲ アクセストランジスタ、ＢＥ，ＥＬ 電極、ＶＨ ビアホール、１ 行デコーダ、２ ＷＬドライバ、３ 列デコーダ、４ ＢＬドライバ、６ 読出回路、１１ シード層、１２ 固定層、１３ トンネル絶縁膜、１４ 自由層、１５ キャップ層。
【技術分野】
【０００１】
この発明は半導体記憶装置に関し、特に、磁気抵抗素子を含む半導体記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）は、各々が、抵抗値のレベル変化によってデータ信号を記憶する複数の磁気抵抗素子を備えている。各磁気抵抗素子は磁化容易軸と磁化困難軸を有する自由層を含み、磁気抵抗素子の抵抗値は自由層の磁化方向に応じて変化する。複数の磁気抵抗素子は、複数行複数列に配置されている。
【０００３】
また、ＭＲＡＭは、それぞれ複数行に対応して設けられた複数のワード線と、それぞれ複数列に対応して設けられた複数のビット線とを備える。各ワード線は、対応の行の各磁気抵抗素子の下方に設けられ、磁化容易軸方向に延在している。各ビット線は、対応の列の各磁気抵抗素子の上に設けられ、磁化困難軸方向に延在している。書込動作時は、選択されたワード線に活性化電流を流すとともに、書込データ信号の論理に応じた極性の書込電流を選択されたビット線に流し、選択された磁気抵抗素子の自由層の磁化方向を反転させる。
【０００４】
特許文献１には、書込動作時に、書込電流が活性化電流よりも所定時間だけ遅延して供給され、活性化電流と書込電流の両方が流されている期間においてデータ信号を磁気抵抗素子に書込むＭＲＡＭが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、活性化電流を流しながら、負の書込電流と正の書込電流を順次流して磁気抵抗素子の磁化方向を反転させるＭＲＡＭが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５２８６６５号公報
【特許文献２】特開２００４−１５２４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来のＭＲＡＭでは、活性化電流または書込電流によって発生する磁場の影響により、選択されていない磁気抵抗素子の記憶データの論理が反転し、誤書込が発生するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。代表的な実施の形態による半導体記憶装置は、磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子の自由層に磁化困難軸方向の第１のパルス磁場を印加するためのワード線と、自由層に磁化容易軸方向の第２のパルス磁場を印加するためのビット線と、第１のパルス電流をワード線に流して第１のパルス磁場を発生させるとともに、第２のパルス電流をビット線に流して第２のパルス磁場を発生させ、自由層の磁化方向を反転させる駆動回路とを備える。第１および第２のパルス電流の各々は三角波状であり、第１のパルス電流がピークに達した後に第２のパルス電流がピークに達する。
【発明の効果】
【０００９】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。すなわち、第１のパルス電流がピークに達した後にピークに達する三角波状の第２のパルス電流をビット線に流すので、第１のパルス電流によって活性化された自由層の磁化方向を確実に反転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本願発明の基礎となるＭＲＡＭの全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示したメモリセルの構成を示す回路図である。
【図３】図２に示したメモリセルの構成を示す断面図である。
【図４】図３に示したトンネル磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
【図５】図１に示したメモリアレイのうちのデータ書込に関連する部分を示す図である。
【図６】図５に示した活性化電流および書込電流を示すタイムチャートである。
【図７】図１〜図６に示したＭＲＡＭの問題点を説明するための図である。
【図８】図１〜図６に示したＭＲＡＭの問題点を説明するための他の図である。
【図９】本実施の形態においてワード線に印加されるパルス電流の波形を示すタイムチャートである。
【図１０】本実施の形態においてビット線に印加されるパルス電流の波形を示すタイムチャートである。
【図１１】図９および図１０に示したワード線電流とビット線電流の関係を示すタイムチャートである。
【図１２】図１１で示したパルス電流Ｉｗ，Ｉｂによって発生するパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの波形を示すタイムチャートである。
【図１３】図１２に示したパルス磁場Ｈｈのみが印加される半選択ビットの磁化変化を示すタイムチャートである。
【図１４】図１２に示したパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの両方が印加される選択ビットの磁化変化を示すタイムチャートである。
【図１５】比較例の半選択ビットの磁化変化を示すタイムチャートである。
【図１６】図１５に示した軌跡Ａに対応する磁化ベクトルの軌跡を示す図である。
【図１７】図１５に示した軌跡Ｂに対応する磁化ベクトルの軌跡を示す図である。
【図１８】図１５に示した軌跡Ｃに対応する磁化ベクトルの軌跡を示す図である。
【図１９】本実施の形態の半選択ビットの磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２０】図１５に示した軌跡Ｄに対応する磁化ベクトルの軌跡を示す図である。
【図２１】図１５に示した軌跡Ｅに対応する磁化ベクトルの軌跡を示す図である。
【図２２】パルス磁場Ｈｅ，Ｈｈを順次印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２３】パルス磁場Ｈｅ，Ｈｈを同時に印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２４】パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅを順次印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２５】パルス磁場Ｈｈの印加後にパルス磁場Ｈｅを印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２６】パルス磁場Ｈｈを印加して所定時間経過後にパルス磁場Ｈｅを印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２７】パルス磁場Ｈｅを弱めて図２４のタイミングでパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅを印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２８】パルス磁場Ｈｅを弱めて図２５のタイミングでパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅを印加した場合の磁化変化を示すタイムチャートである。
【図２９】パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピークの時間差と、磁化を反転させるのに必要なパルス磁場Ｈｅのピーク値の絶対値との関係を示す図である。
【図３０】ワード線に印加するパルス電流の波形を説明するためのタイムチャートである。
【図３１】図３０に示したパルス電流の波形の変更例を示すタイムチャートである。
【図３２】ワード線に印加するパルス電流Ｉｗの動作領域を示す図である。
【図３３】ビット線に印加するパルス電流の波形を説明するためのタイムチャートである。
【図３４】磁化の振動回数を低減化する方法を説明するためのタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［ＭＲＡＭの一般的構成］
実施の形態について説明する前に、まず本願発明の基礎となるＭＲＡＭについて説明する。図１は、ＭＲＡＭの全体構成を示すブロック図である。図１において、このＭＲＡＭは、メモリアレイＭＡを備える。メモリアレイＭＡは、複数行複数列に配置された複数のメモリセルＭＣと、それぞれ複数行に対応して設けられた複数のワード線ＷＬと、それぞれ複数行に対応して設けられた複数の読出ワード線ＷＬＲと、それぞれ複数列に対応して設けられた複数のビット線ＢＬとを含む。
【００１２】
メモリセルＭＣは、図２に示すように、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲおよびアクセストランジスタ（ＮチャネルＭＯＳトランジスタ）ＡＴＲを含む。トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの一方端は、対応のビット線ＢＬに接続される。アクセストランジスタＡＴＲのドレインはトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの他方端子に接続され、そのゲートは読出ワード線ＷＬＲに接続され、そのソースは接地電圧ＶＳＳのラインに接続される。
【００１３】
書込動作時は、ワード線ＷＬに活性化電流を流すとともに、書込データ信号の論理レベルに応じた方向の書込電流をビット線ＢＬに流す。これにより、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値が高値ＲＨまたは低値ＲＬになる。ＲＨおよびＲＬは、たとえば、それぞれデータ信号“１”（「Ｈ」レベル）および“０”（「Ｌ」レベル）に対応付けられる。
【００１４】
読出動作時は、読出用ワード線ＷＬＲを活性化レベルの「Ｈ」レベルにしてアクセストランジスタＡＴＲをオンさせ、ビット線ＢＬに所定の読出電圧ＶＲを印加する。このとき、ビット線ＢＬからメモリセルＭＣを介して接地電圧ＶＳＳのラインに流れる電流ＩＲと所定のしきい値電流ＩＴＨとを比較する。ＩＲ＞ＩＴＨである場合は、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は低値ＲＬであるので、メモリセルＭＣからデータ信号“０”が読み出される。ＩＲ＜ＩＴＨである場合は、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は高値ＲＨであるので、メモリセルＭＣからデータ信号“１”が読み出される。
【００１５】
図１に戻って、ＭＲＡＭは、さらに、行デコーダ１、ＷＬドライバ２、列デコーダ３、ＢＬドライバ４，５、および読出回路６を備える。行デコーダ１は、行アドレス信号に従って、複数行のうちのいずれかの行を選択する。ＷＬドライバ２は、書込動作時は行デコーダ１によって選択された行のワード線ＷＬに活性化電流を流し、読出動作時は行デコーダ１によって選択された行の読出用ワード線ＷＬＲを活性化レベルの「Ｈ」レベルにする。
【００１６】
列デコーダ３は、列アドレス信号に従って、複数列のうちのいずれかの列を選択する。ＢＬドライバ４は各ビット線ＢＬの一方端に接続され、ＢＬドライバ５は各ビット線ＢＬの他方端に接続される。ＢＬドライバ４，５は、書込動作時に、列デコーダ３によって選択されたビット線ＢＬに、書込データ信号の論理レベルに応じた方向の電流を流す。読出回路６は、読出動作時に、列デコーダ３によって選択された列のビット線ＢＬに所定の読出電圧ＶＲを印加し、選択されたメモリセルＭＣに流れる電流ＩＲに基づいてメモリセルＭＣの記憶データを読み出す。
【００１７】
図３（ａ）はメモリセルＭＣの構成を示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線断面図である。図３（ａ）（ｂ）において、アクセストランジスタＡＴＲは半導体基板の表面に形成され、そのソースは接地電圧ＶＳＳを受ける。アクセストランジスタＡＴＲの上方に長方形の下部電極ＢＥが形成される。下部電極ＢＥの下面の一方端部（図３では左側端部）はビアホールＶＨ、電極ＥＬ、ビアホールＶＨなどを介してアクセストランジスタＡＴＲのドレインに接続される。
【００１８】
トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲは、下部電極ＢＥの上面の他方端部（図３（ａ）では右側端部）の上に楕円形状に形成される。下部電極ＢＥの短辺の方向をＸ方向とし、長辺の方向をＹ方向とすると、楕円形状のトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの長軸および短軸はそれぞれＸ方向およびＹ方向に向けられる。トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの長軸および短軸は、それぞれ磁化容易軸および磁化困難軸となる。長軸の長さａは、短軸の長さｂよりも長い。
【００１９】
トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲは、図４に示すように、下部電極ＢＥの表面にシード層１１、固定層１２、トンネル絶縁膜１３、自由層１４、およびキャップ層１５を積層したものである。固定層１２は、固定された一定の磁化方向を有する強磁性体層である。自由層１４は、書込データ信号の論理レベルに応じて、固定層１２と同一方向または反対方向に磁化される。固定層１２と自由層１４の磁化方向が同一方向である場合は、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は低値ＲＬになる。固定層１２と自由層１４の磁化方向が反対方向である場合は、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は高値ＲＨになる。
【００２０】
なお、固定層１２はトンネル絶縁膜１３に接する強磁性体層で形成され、シード層１１に固定層１２の強磁性体層の磁化方向を一定方向に保つための反強磁性体層が含まれていてもよい。この場合、固定層１２の強磁性体層と、シード層１１の反強磁性体層とは、交換結合しており、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲはスピンバルブ構造を有している。
【００２１】
ワード線ＷＬは、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの下方であって、下部電極ＢＥの他方端部（図３（ａ）（ｂ）では右側端部）の下方に形成され、Ｘ方向に延在する。ワード線ＷＬに活性化電流を流すと、ワード線ＷＬの周りに磁化困難軸方向（短軸方向）の磁場が発生する。ビット線ＢＬは、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの上に形成され、Ｙ方向に延在する。ビット線ＢＬに書込電流を流すと、ビット線ＢＬの周りに磁化容易軸方向（長軸方向）の磁場が発生する。ワード線ＷＬからの磁場とビット線ＢＬからの磁場との合成磁場により、自由層１４の磁化方向が書き換えられる。
【００２２】
図５は、メモリアレイＭＡのうちにデータ書込に関連する部分を示す図である。図５において、メモリアレイＭＡは、複数行複数列に配置された複数のトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲと、それぞれ複数行に対応して設けられた複数のワード線ＷＬと、それぞれ複数列に対応して設けられた複数のビット線ＢＬとを含む。各トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲは楕円形状に形成されており、楕円の長軸（磁化容易軸）はワード線ＷＬの延在方向に向けられ、楕円の短軸（磁化困難軸）はビット線ＢＬの延在方向に向けられている。
【００２３】
書込動作時は、複数のワード線ＷＬのうちの選択された１本のワード線ＷＬｉに活性化電流Ｉｗが流され、そのワード線ＷＬｉの周りに磁場が発生する。また、複数のビット線ＢＬのうちの選択された１または２以上のビット線ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１の各々に書込データ信号の論理レベルに応じた方向の書込電流Ｉｂが流され、ビット線ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１の各々の周りに磁場が発生する。これにより、ワード線ＷＬｉとビット線ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１の交差部のトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４の磁化方向が書き換えられる。
【００２４】
図６（ａ）はワード線電流（活性化電流）Ｉｗの波形を示すタイムチャートであり、図６（ｂ）はビット線電流（書込電流）Ｉｂの波形を示すタイムチャートである。図６（ａ）（ｂ）を参照して、ワード線電流Ｉｗは、時刻ｔ１〜ｔ２において０Ａから所定の電流値Ｗ０に立ち上げられ、時刻ｔ２〜ｔ５において所定の電流値Ｗ０に維持され、時刻ｔ５〜ｔ６において所定の電流値Ｗ０から０Ａに立ち下げられる。
【００２５】
また、ビット線電流Ｉｂは、たとえばデータ信号“１”を書き込む場合、時刻ｔ３〜ｔ４において０Ａから所定の電流値Ｂ０に立ち上げられ、時刻ｔ４〜ｔ７において所定の電流値Ｂ０に維持され、時刻ｔ７〜ｔ８において所定の電流値Ｂ０から０Ａに立ち下げられる。また、ビット線電流Ｉｂは、たとえばデータ信号“０”を書き込む場合、時刻ｔ３〜ｔ４において０Ａから所定の電流値（−Ｂ０）に立ち下げられ、時刻ｔ４〜ｔ７において所定の電流値（−Ｂ０）に維持され、時刻ｔ７〜ｔ８において所定の電流値（−Ｂ０）から０Ａに立ち上げられる。
【００２６】
時刻ｔ４〜ｔ５では、ワード線ＷＬとビット線ＢＬの両方に電流が流されており、この期間にワード線ＷＬとビット線ＢＬの交差部のトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲのデータ信号が書き換えられる。
【００２７】
［ＷＬディスターブ］
図５において、選択されたワード線ＷＬｉに電流Ｉｗを流すと、そのワード線ＷＬｉの周りに磁場が発生する。このとき、選択されたワード線ＷＬｉに対応するが、選択されていないビット線ＢＬに対応するトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの記憶データが、ワード線ＷＬｉの周りの磁場の影響を受けて書き換えられる現象をＷＬディスターブという。
【００２８】
すなわち、ワード線ＷＬに電流を流すと、図７（ａ）に示すようにワード線ＷＬの周りに磁場Ｈが発生し、図７（ｂ）に示すようにトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４の磁化方向が初期状態（長軸方向）から短軸方向に傾く。自由層１４は楕円状に形成されており、形状異方性を有する。このため自由層１４の磁化方向は、楕円の長軸方向で安定し、長軸方向から傾くと不安定になる。また、有限温度では、磁化方向は熱により揺らぐ。このため、図７（ｃ）（ｄ）に示すようにワード線ＷＬへの電流供給を停止すると、そのときの磁化方向に応じて反転したりしなかったりする。磁化方向の熱揺らぎは電流Ｉｗを印加する毎に異なるので、同じトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲに対して同じ値、パルス幅の電流Ｉｗを印加しても、１００％反転する（あるいは反転しない）ことはない。
【００２９】
図８（ａ）（ｂ）はＷＬディスターブのシミュレーション結果を示す図である。特に、図８（ａ）は、図６（ａ）で示したような波形の電流Ｉｗをワード線ＷＬに流したときに、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４に発生する磁場Ｈｈを示している。また、図８（ｂ）は、自由層１４の磁化方向の変化の軌跡を示しており、１００回分の軌跡を重ねて描いたものである。
【００３０】
このとき、自由層１４の長軸の長さａを４２５ｎｍとし、その短軸の長さｂを２００ｎｍとし、その厚さを２ｎｍとした。自由層１４の材料をパーマロイ（ＮｉＦｅ）とし、系の温度を４５０Ｋとした。
【００３１】
ワード線ＷＬの電流Ｉｗを１ｎ秒かけて０Ａから所定値Ｗ０に立ち上げ、所定値Ｗ０に５ｎ秒間だけ維持し、１ｎ秒かけて所定値Ｗ０から０Ａに立ち下げた。これにより、図８（ａ）に示すように、電流Ｉｗと同様の波形の磁場Ｈｈが発生した。図８（ａ）の縦軸は、磁場Ｈを自由層１４の異方性磁界Ｈｋで除算したものである。このような磁場Ｈｈを上記の自由層１４に印加し、磁化方向の変化を求めた。磁場Ｈｈを１回印加する毎に自由層１４の磁化を初期磁化状態にリセットし、自由層１４に合計１００回、磁場Ｈｈを印加した。
【００３２】
図８（ｂ）の縦軸は、規格化された磁化Ｍｘ／Ｍであり、自由層１４の磁化ベクトルのＸ方向（長軸方向）の成分を示している。Ｍｘ／Ｍ＝１は、自由層１４の磁化方向が反転されていない状態を示している。Ｍｘ／Ｍ＝０は、自由層１４の磁化方向がＹ方向に向けられた状態を示している。Ｍｘ／Ｍ＝−１は、自由層１４の磁化方向が反転された状態を示している。
【００３３】
図８（ａ）（ｂ）において、同一の自由層１４に同じ波形の磁場Ｈｈを印加しても、試行毎に磁化変化の軌跡が異なり、全試行における磁化変化の軌跡を重ね合わせると帯のような広がりが見られることから、熱揺らぎの影響が大きいことが分かる。その結果として磁場Ｈｈの印加中に、図７（ｃ）（ｄ）で示したように自由層１４の磁化が状態（Ａ）や（Ｂ）になり、状態（Ｂ）を経て最終的に反転した場合が、ＷＬディスターブを受けた場合に相当する。
【００３４】
［実施の形態］
本願発明では、書込動作時に、選択されたワード線ＷＬに三角波状のパルス電流Ｉｗを印加するとともに、選択されたビット線ＢＬに三角波状のパルス電流Ｉｂを印加する。三角波状のパルス電流Ｉｗを急峻に立ち上げて自由層１４の磁化ベクトルの歳差運動を磁化ベクトルの熱揺動よりも大きくし、さらにその運動中にパルス電流Ｉｗを急峻に立ち下げて熱の影響を抑える。これにより、選択されたワード線ＷＬに対応するが、選択されていないビット線ＢＬに対応するメモリセルＭＣ（以下、半選択ビットという）の記憶データが反転するのを１００％防止することができる。また、ワード線電流Ｉｗがピーク値に達した後に、ビット線電流Ｉｂをピーク値にすることにより、選択されたメモリセルＭＣの記憶データを１００％書き換えることができる。以下、本願発明の一実施の形態によるＷＬディスターブの抑制方法（ＭＲＡＭの書込方法）について図面を用いて詳細に説明する。
【００３５】
図９はワード線ＷＬに印加するパルス電流Ｉｗの波形を示すタイムチャートであり、図１０はビット線ＢＬに印加するパルス電流Ｉｂの波形を示すタイムチャートであり、図１１はパルス電流Ｉｗ，Ｉｂの関係を示すタイムチャートである。なお、ＭＲＡＭのデータ書換動作で使用される磁場範囲では、磁場は電流に比例するという経験則が成立するので、図９は磁化困難軸方向の磁場Ｈｈの時間変化も示し、図１０は磁化容易軸方向の磁場Ｈｅの時間変化も示し、図１１は磁化困難軸方向の磁場Ｈｈと磁化容易軸方向の磁場Ｈｅとの関係も示している。
【００３６】
図９に示すように、ワード線電流Ｉｗは、三角波状のパルス電流であり、０Ａからピーク値Ｗまで急峻に立ち上げられ、ピーク値Ｗから０Ａまで急峻に立ち下げられる。また図１０に示すように、ビット線電流Ｉｂは三角波状のパルス電流である。たとえば、データ信号“１”を書き込む場合は、ビット線電流Ｉｂは、０Ａからピーク値Ｂまで急峻に立ち上げられ、ピーク値Ｂから０Ａまで急峻に立ち下げられる。また、データ信号“０”を書き込む場合は、ビット線電流Ｉｂは、０Ａからピーク値（−Ｂ）まで急峻に立ち下げられ、ピーク値（−Ｂ）から０Ａまで急峻に立ち上げられる。
【００３７】
また、図１１に示すように、パルス電流Ｉｗのピーク値Ｗはパルス電流Ｉｂのピーク値の絶対値Ｂよりも大きい。また、パルス電流Ｉｂがピーク値Ｂまたは（−Ｂ）に達する時間ｔｐｂは、パルス電流Ｉｗがピーク値Ｗに達する時間ｔｐｗよりも遅い。パルス電流Ｉｗ，Ｉｂの他の定義については、後述する。
【００３８】
［本実施の形態の効果（１）］
図１２〜図１４は、本実施の形態の効果（１）を示す図である。特に、図１２は、図１１で示したような波形のパルス電流Ｉｗ（またはＩｂ）をワード線ＷＬ（またはビット線ＢＬ）に流したときに、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４に印加されるパルス磁場Ｈｈ（またはＨｅ）を示している。図１２の縦軸は、磁場Ｈを異方性磁界Ｈｋで除算したものである。
【００３９】
また、図１３は、Ｈｈ，ＨｅのうちのＨｈのみを自由層１４に印加した場合における自由層１４の磁化方向の変化の軌跡を示しており、１００回分の軌跡を重ねて描いたものである。また、図１４は、Ｈｈ，Ｈｅの両方を自由層１４に印加した場合における自由層１４の磁化方向の変化の軌跡を示しており、１００回分の軌跡を重ねて描いたものである。
【００４０】
このとき、自由層１４の長軸の長さａを４２５ｎｍとし、その短軸の長さｂを２００ｎｍとし、その厚さを２ｎｍとした。また、自由層１４の材料をパーマロイ（ＮｉＦｅ）とし、自由層１４の温度を４５０Ｋとした。
【００４１】
ワード線ＷＬの電流Ｉｗを１ｎ秒かけて０Ａからピーク値Ｗに立ち上げ、１ｎ秒かけてピーク値Ｗから０Ａに立ち下げた。これにより、図１２に示すように、パルス電流Ｉｗと同様の波形のパルス磁場Ｈｈが発生した。また、ビット線ＢＬの電流Ｉｂを１ｎ秒かけて０Ａからピーク値（−Ｂ）に立ち下げ、１ｎ秒かけてピーク値（−Ｂ）から０Ａに立ち上げた。これにより、図１２に示すように、パルス電流Ｉｂと同様の波形のパルス磁場Ｈｅが発生した。
【００４２】
パルス電流Ｉｂのピークとパルス電流Ｉｗのピークとの時間差は、１ｎ秒である。パルス磁場Ｈｅのピークとパルス磁場Ｈｈのピークとの時間差は、１ｎ秒である。このようなパルス磁場を上記の自由層１４に印加し、磁化方向の時刻変化を求めた。パルス磁場を１回印加する毎に自由層１４の磁化を初期磁化状態にリセットし、自由層１４に合計１００回、パルス磁場を印加した。
【００４３】
図１３および図１４の各々の縦軸は、規格化された磁化Ｍｘ／Ｍであり、自由層１４の磁化ベクトルのＸ方向（長軸方向）の成分を示している。Ｍｘ／Ｍ＝１は、自由層１４の磁化方向が反転されていない状態を示している。Ｍｘ／Ｍ＝０は、自由層１４の磁化方向がＹ方向に向けられた状態を示している。Ｍｘ／Ｍ＝−１は、自由層１４の磁化方向が反転された状態を示している。
【００４４】
図１３から分かるように、図１２に示したパルス磁場Ｈｈのみを自由層１４に印加した場合、自由層１４の磁化は１００回とも反転しなかった。また図１４から分かるように、図１１に示したパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの両方を自由層１４に印加した場合、自由層１４の磁化は１００回とも反転した。なお、ビット線ＢＬの電流Ｉｂに基づくパルス磁場Ｈｅの大きさは保磁力Ｈｃ未満であり、パルス磁場Ｈｅのみでは自由層１４の磁化が１００回とも反転することはない。ここで、保磁力Ｈｃとは、パルス磁場Ｈｅのみで自由層１４の磁化を反転させることが可能な磁場である。つまり、選択されたビット線ＢＬに対応する半選択ビットの記憶データの論理が反転することはない。
【００４５】
［本実施の形態のメカニズム］
次に、本実施の形態のメカニズムについて説明する。図１５（ａ）（ｂ）は、図８（ａ）（ｂ）でも示したＷＬディスターブのシミュレーション結果を示す図である。特に、図１５（ａ）は、図６（ａ）で示したような波形の電流Ｉｗをワード線ＷＬに流したときに、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４に発生する磁場Ｈｈを模式的に示している。また、図１５（ｂ）は、自由層１４の磁化方向の変化の軌跡を示しており、１００回分の軌跡が重ねて描かれている。１００回分の軌跡のうちの３回分の軌跡Ａ，Ｂ，Ｃが得られた場合に、磁化ベクトルが磁化空間（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）をどのように動いたかを図１６〜図１８に示す。
【００４６】
図１６（ａ）〜（ｃ）は、軌跡Ａが得られた場合に、磁化ベクトルが磁化空間（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を動いた軌跡を示す図であり、磁化ベクトルをそれぞれＺＸ平面、ＹＺ平面、ＹＸ平面に投射した図である。図１６（ａ）〜（ｃ）中の細い点線は図１５（ａ）で示したパルス磁場の立ち上がり期間Ｔ１に対応し、太い点線はパルス磁場が一定値に固定された期間Ｔ２に対応し、細い実線はパルス磁場の立ち下がり期間Ｔ３に対応し、太い実線はパルス磁場の印加が終了した後の期間Ｔ４に対応している。図１７（ａ）〜（ｃ）および図１８（ａ）〜（ｃ）の各々も、図１６（ａ）〜（ｃ）と同様である。
【００４７】
図１６〜図１８から分かるように、図１５（ａ）で示した台形状の磁場Ｈｈを自由層１４に印加すると、磁場Ｈｈの立ち上がり期間Ｔ１および立ち下がり期間Ｔ３中に磁化ベクトルが僅かに歳差運動するが、磁化ベクトルはほぼ磁場変化に追随している。磁場変動がもたらす磁化の運動が非常に小さいために熱による磁化揺動が顕在化し、磁場Ｈｈが一定値に固定された期間Ｔ２においてＡ，Ｂ，Ｃで大きな違いが現れていることが分かる。
【００４８】
図１９（ａ）（ｂ）は、図１３でも示したＷＬディスターブのシミュレーション結果を示す図である。特に、図１９（ａ）は、図９で示したような波形のパルス電流Ｉｗをワード線ＷＬに流したときに、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４に発生するパルス磁場Ｈｈを模式的に示している。また、図１９（ｂ）は、自由層１４の磁化方向の変化の軌跡を示しており、１００回分の軌跡を重ねて描いている。１００回分の軌跡のうちの２回分の軌跡Ｄ，Ｅが得られた場合に、磁化ベクトルが磁化空間（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）をどのように動いたかを図２０および図２１に示す。
【００４９】
図２０（ａ）〜（ｃ）は、軌跡Ｄが得られた場合に磁化ベクトルが磁化空間（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を動いた軌跡を示す図であり、磁化ベクトルをそれぞれＺＸ平面、ＹＺ平面、ＹＸ平面に投射した図である。図２０（ａ）〜（ｃ）中の細い点線は図１９（ａ）で示したパルス磁場Ｈｈの立ち上がり期間Ｔ５に対応し、細い実線はパルス磁場Ｈｈの立ち下がり期間Ｔ６に対応し、太い実線はパルス磁場Ｈｈの印加が終了した後の期間Ｔ７に対応している。図２１（ａ）〜（ｃ）も、図２０（ａ）〜（ｃ）と同様である。
【００５０】
図２０および図２１から分かるように、図１９（ａ）で示した三角波状のパルス磁場Ｈｈを自由層１４に印加すると、パルス磁場Ｈｈの立ち上がり期間Ｔ５および立ち下がり期間Ｔ６中に磁化ベクトルが強いジャイロ効果を受けてＺ方向に振られる。このため、磁化ベクトルに回転半径の大きな歳差運動が生じ、磁化ベクトルはパルス磁場Ｈｈに追随していない。この力の起源は磁場（回転軸）の急激な変化により生じた慣性力である。この慣性力と比べて熱がもたらす力は無視できるほど小さくなっている。各試行におけるパルス磁場Ｈｈが同じであれば慣性力も全試行で等しいので、パルス磁場Ｈｈの印加期間Ｔ５，Ｔ６における磁化ベクトルの軌跡はＤとＥで同じである。
【００５１】
すなわち、有限温度における磁場変化時の磁化の応答としては、歳差運動と熱揺動があり、これらは同時に起こっている。本実施の形態では、三角波状のパルス磁場Ｈｈを印加することにより、歳差運動を起こす力を熱揺動を起こす力よりも十分に大きくすることができ、ＷＬディスターブを抑制することができる。
【００５２】
［本実施の形態の効果（２）］
図２２〜図２４は、本実施の形態の効果（２）を示す図である。特に、図２２（ａ）は、図１１で示したような波形のパルス電流Ｉｗ，Ｉｂをそれぞれワード線ＷＬおよびビット線ＢＬに流したときに、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの自由層１４に印加されるパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅを示している。図２２（ａ）の縦軸は、磁場Ｈを自由層１４の異方性磁界Ｈｋで除算したものである。
【００５３】
また、図２２（ｂ）は、Ｈｈ，Ｈｅの両方を印加した場合における自由層１４の磁化方向の変化の軌跡を示しており、１００回分の軌跡を重ねて描いている。このとき、系の温度を４５０Ｋとした。図２３（ａ）（ｂ）および図２４（ａ）（ｂ）の各々も、図２２（ａ）（ｂ）と同様である。
【００５４】
パルス磁場Ｈｈがピークに達する時間をｔｐｗとし、パルス磁場Ｈｅがピークに達する時間をｔｐｂとすると、図２２（ａ）（ｂ）ではｔｐｗ＞ｔｐｂであり、図２３（ａ）（ｂ）ではｔｐｗ＝ｔｐｂであり、図２４（ａ）（ｂ）ではｔｐｗ＜ｔｐｂである。図２２〜図２４から分かるように、ｔｐｗ＞ｔｐｂおよびｔｐｗ＝ｔｐｂの場合では自由層１４の磁化は反転せず、ｔｐｗ＜ｔｐｂの場合のみで自由層１４の磁化が反転した。
【００５５】
図２２〜図２４では、パルス磁場Ｈｈのピーク値がパルス磁場Ｈｅのピーク値よりも大きいため、パルス磁場Ｈｈによる磁化ベクトルの運動がパルス磁場Ｈｅによる磁化ベクトルの運動よりも大きくなっている。図２２および図２３で磁化が反転しなかったのは、パルス磁場Ｈｅの印加によって発生した磁化ベクトルの運動が、パルス磁場Ｈｈの印加による運動によってかき消されたためである。図２４で磁化が反転したのは、パルス磁場Ｈｈの印加によって発生した磁化ベクトルの運動に、パルス磁場Ｈｅの印加による運動が加えられたためである。
【００５６】
図２２〜図２４で用いたパルス磁場Ｈｅは、図１２〜図１４で用いたパルス磁場Ｈｅと同じであり、保磁力Ｈｃよりも小さい。したがって、パルス磁場Ｈｅのみを自由層１４に印加しても自由層１４の磁化は１００％反転するということはない。しかし、図２５（ａ）（ｂ）に示すように、パルス磁場Ｈｈとパルス磁場Ｈｅのオーバーラップ時間が０でも自由層１４の磁化は１００％反転することが分かった。
【００５７】
これは、パルス磁場Ｈｈの印加を停止しても、磁化ベクトルの運動がエネルギー的に安定な範囲内に収束していないうちに、保磁力Ｈｃ未満のパルス磁場Ｈｅを印加すると磁化を反転させることが可能であることを示している。ただし、図２６（ａ）（ｂ）に示すように、パルス磁場Ｈｈの印加を停止してから十分な時間の経過後にパルス磁場Ｈｅを印加しても磁化は反転しない。
【００５８】
図２４（ａ）（ｂ）では、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピーク値をそれぞれ４．０，−０．５７に設定し、パルス磁場Ｈｈを印加してから１ｎ秒後にパルス磁場Ｈｅを印加した。これに対して図２７（ａ）（ｂ）では、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピーク値をそれぞれ４．０，−０．３４に設定し、パルス磁場Ｈｈを印加してから１ｎ秒後にパルス磁場Ｈｅを印加した。すなわち、図２７（ａ）（ｂ）では、パルス磁場Ｈｅのピーク値の絶対値を０．５７から０．３４に下げて、図２４（ａ）（ｂ）の場合と同じタイミングでパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅを印加した。この場合でも、自由層１４の磁化は反転した。
【００５９】
また図２５（ａ）（ｂ）では、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピーク値をそれぞれ４．０，−０．５７に設定し、パルス磁場Ｈｈを印加してから２ｎ秒後にパルス磁場Ｈｅを印加した。これに対して図２８（ａ）（ｂ）では、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピーク値をそれぞれ４．０，−０．３４に設定し、パルス磁場Ｈｈを印加してから２ｎ秒後にパルス磁場Ｈｅを印加した。すなわち、図２８（ａ）（ｂ）では、パルス磁場Ｈｅのピーク値の絶対値を０．５７から０．３４に下げて、図２５（ａ）（ｂ）の場合と同じタイミングでパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅを印加した。この場合、自由層１４の磁化は反転しなかった。
【００６０】
図２７および図２８から、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピークの時間差（ｔｐｂ−ｔｐｗ）を長くすると、自由層１４の磁化を反転させるのに必要な磁場が大きくなることが分かった。
【００６１】
図２９は、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのピークの時間差（ｔｐｂ−ｔｐｗ）と、磁化を反転させるのに必要なパルス磁場Ｈｅのピーク値の絶対値との関係を示す図である。図２９中の領域Ｆが磁化を反転させることが可能な領域である。たとえば、ｔｐｂ−ｔｐｗ＝１ｎ秒である場合は、パルス磁場Ｈｅ／Ｈｋのピーク値の絶対値を０．２４以上で０．７４以下に設定することが必要である。なお、Ｈｅ／ＨｋがＨｃ／Ｈｋ（＝０．７４）を超えると、パルス磁場Ｈｅのみで磁化が反転してしまう。図２９から分かるように、ＨｅがＨｃに近いほどパルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの時間差（ｔｐｂ−ｔｐｗ）を長くすることができ、制御性の観点から見ると好ましい。また、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの時間差（ｔｐｂ−ｔｐｗ）を０［ｎ秒］よりも大きく、４［ｎ秒］以下の値に設定することが必要である。パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの各々のパルス幅が２［ｎ秒］である場合、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅの時間差（ｔｐｂ−ｔｐｗ）は、パルス磁場Ｈｈ，Ｈｅのパルス幅の和（４［ｎ秒］）以下に設定される。
【００６２】
［印加パルスの定義］
図３０は、ワード線ＷＬに印加されるパルス電流Ｉｗの波形を示すタイムチャートである。図３０に示すように、パルス電流Ｉｗは、０Ａからピーク値Ｗに急峻に立ち上げられ、直ぐにピーク値Ｗから０Ａに急峻に立ち下げられ、二等辺三角形状の波形を有する。パルス電流Ｉｗが０Ａから立ち上げられてピーク値Ｗに到達するまでの時間Ｔｗと、パルス電流Ｉｗがピーク値Ｗから立ち上げられて０Ａに到達するまでの時間Ｔｗとは略等しい。Ｔｗは、０．８ｎ秒から１．２ｎ秒までの時間に設定される。すなわち、パルス電流Ｉｗのパルス幅は、１．６ｎ秒から２．４ｎ秒までの時間に設定される。
【００６３】
パルス電流Ｉｗのピーク値Ｗは電流値である。しかし、自由層１４の磁化を反転させるのに必要なパラメータは、パルス電流Ｉｗから生じる磁場のピーク値Ｈｐｗである。経験則としてＷとＨｐｗには、次式（１）が成り立つことが分かっている。
Ｗ＝λｗ・Ｈｐｗ …（１）
ただし、λｗは、電流［ｍＡ］と磁場［Ｏｅ］の比例定数であり、１以下の値である。λｗは、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲとワード線ＷＬの間の距離や、クラッド配線構造などに依存する。λｗの値は、０．１程度が一般的である。
【００６４】
Ｈｐｗは、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの形状や材料に依存し、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの異方性磁界Ｈｋによって特徴付けられる。ＴｗとＨｐｗ，Ｈｋとの間には、経験則として次式（２）が成り立つ。
Ｈｐｗ／Ｈｋ＝кＴｗ＋Ｈｐ０／Ｈｋ …（２）
ただし、кは比例定数である。また、Ｈｐ０は、Ｔｗ＝０において磁化反転を起こさない磁場である。
【００６５】
本実施の形態においては、上記Ｔｗの範囲（０．８〜１．２［ｎ秒］）において次式（３）を満たすＨｐｗであれば、パルス電流Ｉｗのみで自由層１４の磁化反転は起こらない。
［９．１５−０．２］＜Ｈｐ０／Ｈｋ＜［９．１５＋０．２］ …（３）
この範囲のＨｐｗをλｗ倍した値が必要な電流値Ｗとなる。
【００６６】
なお、上記Ｔｗ，Ｗの範囲内であれば、パルス電流Ｉｗの波形は、正確な二等辺三角形状である必要はない。たとえば、図３１（ａ）に示すように、電流Ｉｗの上昇中、下降中に曲線の傾きが変化してもかまわない。また、図３１（ｂ）に示すように、パルス電流Ｉｗが所定時間（たとえば、１００ｐ秒以下の時間）だけピーク値Ｗに維持されてもかまわない。
【００６７】
図３２は、パルス電流Ｉｗの動作領域を示す図である。図３２中の点線は、数式（２）のＨｐｗ／Ｈｋの中点を取った曲線である。図３２の斜線が施された領域Ａ１，Ａ３，Ａ５は、パルス電流Ｉｗのみでは自由層１４の磁化が反転しない領域である。これらの領域Ａ１，Ａ３，Ａ５では、ワード線ＷＬにパルス電流Ｉｗを流すとともにビット線ＢＬにパルス電流Ｉｂを流すことにより、自由層１４の磁化を反転させることができる。
【００６８】
したがって、これらの領域Ａ１，Ａ３，Ａ５は、データ書込に使用できる領域である。ただし、領域Ａ１ではパルス幅２Ｔｗが短くなり過ぎてパルス電流Ｉｗを制御することが難しく、領域Ａ５では電流値Ｗが大きくなるので、領域Ａ３の条件が使用し易い。
【００６９】
図３２のうちの斜線が施されていない領域Ａ２，Ａ４，Ａ６は、パルス電流Ｉｗのみで自由層１４の磁化が反転する領域である。これらの領域Ａ２，Ａ４，Ａ６では、パルス電流Ｉｗを流したワード線ＷＬに対応する行の全メモリセルＭＣの記憶データが反転してしまう。したがって、領域Ａ２，Ａ４，Ａ６は、データ書込に使用できない領域である。
【００７０】
図３３は、ビット線ＢＬに印加されるパルス電流Ｉｂの波形を示すタイムチャートである。図３３に示すように、パルス電流Ｉｂは、０Ａからピーク値Ｂに急峻に立ち上げられ、直ぐにピーク値Ｂから０Ａに急峻に立ち下げられ、二等辺三角形状の波形を有する。パルス電流Ｉｂが０Ａから立ち上げられてピーク値Ｂに到達するまでの時間Ｔｂと、パルス電流Ｉｂがピーク値Ｂから立ち上げられて０Ａに到達するまでの時間Ｔｂとは略等しい。Ｔｂは、０．８ｎ秒から１．２ｎ秒までの時間に設定される。すなわち、パルス電流Ｉｂのパルス幅は、１．６ｎ秒から２．４ｎ秒までの時間に設定される。
【００７１】
パルス電流Ｉｂのピーク値Ｂは電流値である。しかし、自由層１４の磁化を反転させるのに必要なパラメータは、パルス電流Ｉｂから生じる磁場のピーク値Ｈｐｂである。経験則としてＢとＨｐには、次式（４）が成り立つことが分かっている。
Ｂ＝λｂ・Ｈｐｂ …（４）
ただし、λｂは、電流［ｍＡ］と磁場［Ｏｅ］の比例定数であり、１以下の値である。λｂは、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲとワード線ＷＬの間の距離や、クラッド配線構造などに依存する。λｂの値は、０．１程度が一般的である。λｂは、必ずしもλｗと一致しない。
【００７２】
Ｈｐｂは、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの形状や材料に依存し、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの保磁力Ｈｃによって特徴付けられる。Ｈｐｂ＜Ｈｃが成り立つ。したがって、Ｂ＜λｂ・Ｈｃとなる。
【００７３】
保磁力Ｈｃは、パルス電流Ｉｂによって発生するパルス磁場のみで磁化反転が起こる際の臨界磁場であり、通常、Ｈｃ≦Ｈｋである。したがって、Ｂ＜Ｗである。なお、上述のようなパルス電流Ｉｂを採用することにより、消費電流の低減化を図ることができる。
【００７４】
［制御性の向上］
図３４（ａ）に示すように、自由層１４の磁化Ｍｘ／Ｍは、ワード線ＷＬへのパルス電流Ｉｗの印加に応答して、Ｍｘ／Ｍ＝０を境にして複数回振動する。これは、磁化Ｍｘ／Ｍが反転に近い状態と非反転に近い状態とを短時間で繰り返していることを示している。反転状態と非反転状態のうちのいずれの状態で磁化Ｍｘ／Ｍが停止するかは、パルス電流Ｉｗの条件で決まる。その結果が図３２で示されている。
【００７５】
図３２の動作マージンを拡大するためには、磁化Ｍｘ／Ｍの振動数を減らせばよい。磁化Ｍｘ／Ｍの振動数を減らす方法としては、メモリセルＭＣの面積を縮小する第１の方法と、ギルバート減衰定数αを大きくする第２の方法がある。第１および第２の方法の両方を行ってもよい。ギルバート減衰定数αを大きくする具体的な方法としては、スピンポンピングを利用する方法、すなわち図４で示したキャップ層１５をスピン緩和の大きな材料（白金、パラジウム）で形成する方法がある。
【００７６】
図３４（ａ）は、図１９（ｂ）の時間軸を拡大した図である。図３４（ａ）の試行では、長軸長ａが４２５ｎｍで、短軸長ｂが２００ｎｍの楕円形状の自由層１４を使用した。図３４（ｂ）の試行では、長軸長ａが２１０ｎｍで、短軸長ｂが１００ｎｍの楕円形状の自由層１４を使用した。図３４（ｃ）の試行では、長軸長ａが２１０ｎｍで、短軸長ｂが１００ｎｍの楕円形状の自由層１４を使用し、かつギルバート減衰定数αを図３４（ａ）（ｂ）の場合の５倍にした。
【００７７】
図３４（ａ）（ｂ）（ｃ）において、磁化Ｍｘ／ＭがＭｘ／Ｍ＝０の直線と交差する回数は、それぞれ６回、４回、２回であった。磁化Ｍｘ／Ｍの振動回数は、図３４（ａ）（ｂ）（ｃ）と順次減少している。これは、図３４（ｃ）の場合に、パルス電流Ｉｗの制御が最も容易になることを示している。
【００７８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７９】
ＭＡ メモリアレイ、ＭＣ メモリセル、ＷＬ ワード線、ＷＬＲ 読出ワード線、ＢＬ ビット線、ＴＭＲ トンネル磁気抵抗素子、ＡＴＲ アクセストランジスタ、ＢＥ，ＥＬ 電極、ＶＨ ビアホール、１ 行デコーダ、２ ＷＬドライバ、３ 列デコーダ、４ ＢＬドライバ、６ 読出回路、１１ シード層、１２ 固定層、１３ トンネル絶縁膜、１４ 自由層、１５ キャップ層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗値のレベル変化によってデータ信号を記憶する磁気抵抗素子を備え、
前記磁気抵抗素子は磁化容易軸と磁化困難軸を有する自由層を含み、前記磁気抵抗素子の抵抗値は前記自由層の磁化方向に応じて変化し、
さらに、前記自由層に前記磁化困難軸方向の第１のパルス磁場を印加するためのワード線と、
前記自由層に前記磁化容易軸方向の第２のパルス磁場を印加するためのビット線と、
第１のパルス電流を前記ワード線に流して前記第１のパルス磁場を発生させるとともに、第２のパルス電流を前記ビット線に流して前記第２のパルス磁場を発生させ、前記自由層の磁化方向を反転させる駆動回路とを備え、
前記第１および第２のパルス電流の各々は三角波状であり、
前記第１のパルス電流がピークに達した後に前記第２のパルス電流がピークに達する、半導体記憶装置。
【請求項２】
前記第１のパルス電流のピーク値、立ち上がり時間、および立ち下がり時間は、前記自由層における磁化ベクトルの歳差運動が前記磁化ベクトルの熱揺動よりも大きくなるように設定されている、請求項１に記載の半導体記憶装置。
【請求項３】
前記第１のパルス電流のピーク値の絶対値は、前記第２のパルス電流のピーク値の絶対値よりも大きい、請求項１または請求項２に記載の半導体記憶装置。
【請求項４】
前記第１および第２のパルス電流の各々のパルス幅は１．６ｎ秒から２．４ｎ秒までの値に設定されている、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の半導体記憶装置。
【請求項５】
前記第１および第２のパルス電流のピークの時間差は４ｎ秒以下の値に設定されている、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の半導体記憶装置。
【請求項６】
前記第１および第２のパルス電流のピークの時間差は、前記第１および第２のパルス電流のパルス幅の和以下に設定されている、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の半導体記憶装置。
【請求項７】
前記第１のパルス電流のピーク値をＷとし、そのパルス幅を２Ｔｗとし、１以下の比例定数をλｗとし、前記自由層における磁場のピーク値をＨｐｗとし、比例定数をкとし、Ｔｗ＝０において磁化反転を起こさない磁場をＨｐ０とすると、数式Ｗ＝λｗ・Ｈｐｗおよび数式Ｈｐｗ／Ｈｋ＝кＴｗ＋Ｈｐ０／Ｈｋが成り立ち、Ｈｐ０／Ｈｋは８．９５よりも大きく９．３５よりも小さい、請求項１から請求項６までのいずれかに記載の半導体記憶装置。
【請求項１】
抵抗値のレベル変化によってデータ信号を記憶する磁気抵抗素子を備え、
前記磁気抵抗素子は磁化容易軸と磁化困難軸を有する自由層を含み、前記磁気抵抗素子の抵抗値は前記自由層の磁化方向に応じて変化し、
さらに、前記自由層に前記磁化困難軸方向の第１のパルス磁場を印加するためのワード線と、
前記自由層に前記磁化容易軸方向の第２のパルス磁場を印加するためのビット線と、
第１のパルス電流を前記ワード線に流して前記第１のパルス磁場を発生させるとともに、第２のパルス電流を前記ビット線に流して前記第２のパルス磁場を発生させ、前記自由層の磁化方向を反転させる駆動回路とを備え、
前記第１および第２のパルス電流の各々は三角波状であり、
前記第１のパルス電流がピークに達した後に前記第２のパルス電流がピークに達する、半導体記憶装置。
【請求項２】
前記第１のパルス電流のピーク値、立ち上がり時間、および立ち下がり時間は、前記自由層における磁化ベクトルの歳差運動が前記磁化ベクトルの熱揺動よりも大きくなるように設定されている、請求項１に記載の半導体記憶装置。
【請求項３】
前記第１のパルス電流のピーク値の絶対値は、前記第２のパルス電流のピーク値の絶対値よりも大きい、請求項１または請求項２に記載の半導体記憶装置。
【請求項４】
前記第１および第２のパルス電流の各々のパルス幅は１．６ｎ秒から２．４ｎ秒までの値に設定されている、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の半導体記憶装置。
【請求項５】
前記第１および第２のパルス電流のピークの時間差は４ｎ秒以下の値に設定されている、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の半導体記憶装置。
【請求項６】
前記第１および第２のパルス電流のピークの時間差は、前記第１および第２のパルス電流のパルス幅の和以下に設定されている、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の半導体記憶装置。
【請求項７】
前記第１のパルス電流のピーク値をＷとし、そのパルス幅を２Ｔｗとし、１以下の比例定数をλｗとし、前記自由層における磁場のピーク値をＨｐｗとし、比例定数をкとし、Ｔｗ＝０において磁化反転を起こさない磁場をＨｐ０とすると、数式Ｗ＝λｗ・Ｈｐｗおよび数式Ｈｐｗ／Ｈｋ＝кＴｗ＋Ｈｐ０／Ｈｋが成り立ち、Ｈｐ０／Ｈｋは８．９５よりも大きく９．３５よりも小さい、請求項１から請求項６までのいずれかに記載の半導体記憶装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【公開番号】特開２０１３−９７８４２（Ｐ２０１３−９７８４２Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１０８６（Ｐ２０１１−２４１０８６）
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
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