专利名称：半导体装置及该半导体装置的数据写入方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置及该半导体装置的数据写入方法，特别是涉及包括利用隧道磁阻(TMR)效应，存储“1”、“0”信息的MTJ(磁隧道结)元件的磁随机存取存储器(MRAM)。
背景技术：
近年来，利用隧道磁阻效应的磁随机存取存储器(以下称MRAM)有望作成高速且大容量的存储媒体。
在这样的MRAM中，如图10及图11所示，第一写入布线(例如位线)WL1和第二写入布线(例如字线)WL2互相正交配置，MTJ元件10配置在这些第一及第二写入布线WL1、WL2的交点上。该MTJ元件10由固定层11、自由层(记录层)13、以及被固定层11及自由层13夹在中间的隧道绝缘膜12构成。
在这样的MRAM中，为了将数据“1”或数据”0”写入MTJ元件10中，如图12所示，使第一写入布线WL1的一端呈接地电位，使另一端呈±电位，电流I1、I3沿两个方向流过第一写入布线WL1。
就是说，如图10所示，晶体管Tr1a、Tr1b、Tr2a、Tr2b作为写入用的开关元件被配置在第一写入布线WL1的两端，晶体管Tr1b、Tr2b的电流路径的一端分别连接在接地端子上。
因此，使用晶体管Tr1a、Tr1b时，写入电流I1流过第一写入布线WL1，使用晶体管Tr2a、Tr2b时，写入电流I3流过第一写入布线WL1。这样，写入电流I1、I3在第一写入布线WL1中沿两个方向流。
在以上这样的现有的MRAM中，使电流I1流过第一写入布线WL1，并使电流流过第二写入布线WL2，例如将数据“0”写入MTJ元件10中，然后使与电流I1方向相反的电流I3流过第一写入布线WL1，并使电流流过第二写入布线WL2，例如能将数据“1”写入MTJ元件10中。就是说，能将与一次写入的数据相反的数据再次写入MTJ元件10中。
可是，其另一方面，由于能这样进行数据的改写，所以例如通过改写图像等，会发生不能谋求著作权的权利保护的情况。因此，对于作为新的存储媒体的MRAM来说，要求不能改写一次写入的数据的结构。
发明内容
本发明就是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种能防止一次写入的数据的改写的半导体装置及该半导体装置的数据写入方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下所示的方法。
本发明的第一方面是一种半导体装置，其特征在于包括存储部，该存储部具有分别具有难磁化轴和易磁化轴的多个磁阻效应元件，二值数据中的一种数据写入到这些磁阻效应元件中的全部中；以及以只将上述二值数据中的另一种数据只写入上述磁阻效应元件中的被选择的选择磁阻效应元件的方式流过写入电流的电路部。
本发明的第二方面是一种半导体装置的数据写入方法，该半导体装置包括具有多个磁阻效应元件的存储部、以及以只将二值数据中的一种数据写入该存储部中的方式进行驱动的周边部，其特征在于包括以下工序在将上述一种数据写入上述多个磁阻效应元件中被选择的选择磁阻效应元件中的情况下，作为初始状态，将上述二值数据中的另一种数据设定在上述多个磁阻效应元件的全部中的工序；以及将上述一种数据写入上述选择磁阻效应元件中的工序。
图1是表示本发明的第一实施方式的MRAM的电路图。
图2是表示本发明的第一实施方式的MRAM的斜视图。
图3是表示本发明的第一实施方式的第一写入布线的不可逆电流方向的图。
图4(a)是表示本发明的第一实施方式的MRAM的写入前的初始状态的图，图4(b)是表示本发明的第一实施方式的MRAM的写入后的状态的图。
图5(a)是表示现有技术的数据写入可能状态的图，图5(b)是表示本发明的第一实施方式的数据写入可能状态的图。
图6是表示本发明的第二实施方式的第一模块结构的斜视图。
图7是表示本发明的第二实施方式的第二模块结构的斜视图。
图8是表示本发明的第二实施方式的第三模块结构的斜视图。
图9是表示本发明的第二实施方式的第一至第三模块结构的俯视图。
图10是表示现有技术的MRAM的电路图。
图11是表示现有技术的MRAM的斜视图。
图12是表示现有技术的第一写入布线的不可逆电流方向的图。
具体实施例方式
本发明的实施方式是涉及利用隧道磁阻效应，存储“1”、“0”信息的磁随机存取存储器。这里，作为利用该磁阻效应的元件(磁阻效应元件)，利用MTJ元件。
以下参照
本发明的实施方式。进行该说明时，全部图中相同的部分标以相同的附图标记。
在第一实施方式中，说明能防止一次写入的数据的改写的MRAM的结构。
图1及图2表示本发明的第一实施方式的MRAM的简略的电路图及斜视图。图3表示本发明的第一实施方式的第一写入布线的不可逆电流方向。
如图1及图2所示，在存储部中，第一写入布线(例如位线)WL1和第二写入布线(例如字线)WL2互相正交配置，MTJ元件10配置在这些第一及第二写入布线WL1、WL2的交点上。该MTJ元件10由固定层11、自由层(记录层)13、以及被这些固定层11及自由层13夹在中间的隧道绝缘膜12构成。
而且，第一写入布线WL1沿着MTJ元件10的难磁化轴方向延伸，设定成使写入电流I1只沿一个方向流。就是说，如图3所示，使第一写入布线WL1的一端为接地电位，使另一端为某一电位(例如+电位)，设计得只能施加能进行充分的写入程度的一种电位。
作为具体的结构，写入用的开关元件Tr1a、Tr1b设置在第一写入布线WL1的两端。就是说，PMOS晶体管Tr1a的电流路径的一端(扩散层)连接在电源端子VDD上，该电流路径的另一端(扩散层)连接在第一写入布线WL1的一端上。另外，NMOS晶体管Tr1b的电流路径的一端(扩散层)连接在第一写入布线WL1的另一端上，该电流路径的另一端(扩散层)连接在接地端子VSS上。这样处理后，写入电流I1在第一写入布线WL1中只沿图1中的箭头方向流。
另一方面，第二写入布线WL2沿着MTJ元件10的易磁化轴方向延伸，既可以设定成使写入电流只沿一个方向流，也可以设定成使写入电流沿两个方向流。
在这样的结构中，由于电流I1在第一写入布线WL1中只沿一个方向流，所以“1”、“0”这样的二值数据中只有一种数据被写入MTJ元件10中。
其次，用图2至图4(a)、4(b)，说明上述的电路结构中的数据写入方法。
如图4(a)所示，举例示出了多条第一及第二写入布线(图中未示出)正交配置，在该第一及第二写入布线(图中未示出)的交点上配置了多个由MTJ元件10构成的单元的单元阵列结构。这里，沿MTJ元件10的难磁化轴方向延伸的多条写入布线分别设定成电流只沿一个方向流。
首先，作为存储器的初始状态，为了写入二值数据中的一种数据(例如数据“0”)，使存储单元部内的全部MTJ元件10的磁化方向与易磁化轴方向(图4(a)中沿纸面的左右方向中的某一个)一致。这里，使MTJ元件10中的固定层11及自由层13两者的磁化方向沿纸面向右，以此为存储器的初始状态。
其次，如图2所示，在选择单元SC中，使写入电流I1流过第一写入布线WL1，发生与易磁化轴平行方向的磁场Hx，使写入电流I2流过第二写入布线WL2，发生与难磁化轴平行方向的磁场Hy。因此，在磁场Hy的作用下，MTJ元件10的磁化朝向难磁化轴方向，在磁场Hx的作用下，MTJ元件10的磁化朝向易磁化轴方向。其结果，如图4(b)所示，只有选择单元SC能沿纸面向左改写自由层13的磁化，能写入二值数据中的另一种数据(例如数据“1”)。
另外，由于设定成电流I1在第一写入布线WL1中只沿一个方向流，所以不能使选择单元SC的沿纸面向左的自由层13的磁化返回原来的状态(图4(a)的状态)。
如果采用上述第一实施方式，则由于设定成电流在沿着MTJ元件10的难磁化轴方向延伸的第一写入布线WL1中只沿一个方向流，所以本发明与以往相比有以下不同。
以往，如图5(a)所示，从初始状态一次写入MTJ元件10，此后再写入时能返回初始状态，能将自由层13的磁化方向变更两次以上。
与此不同，在第一实施方式中，如图5(b)所示，从初始状态一次写入MTJ元件10，此后再写入时不能返回初始状态，所以自由层13的磁化方向只能变更一次。
就是说，在第一实施方式中，对存储部的写入只能进行一次，因此以后即使进行写入，也不能自由地进行数据变更，数据将被破坏。因此，能提供只写一次的存储方式的MRAM，能防止一次写入的数据被改写。因此，在有望作为高速且大容量的存储媒体的MRAM中，图像等的著作权等的权利保护成为可能。
另外，成为电流在沿着MTJ元件10的难磁化轴方向延伸的第一写入布线WL1中只沿一个方向流的结构。因此，与以往相比，能减少连接在第一写入布线WL1上的晶体管Tr1a、Tr1b的个数，能简化存储单元阵列的周边电路。因此，能缩小周边电路区域的面积，另外，还连带着降低成本。
另外，在MRAM中，由于数据的改写需要大电流，所以预想能流过大电流的栅极宽度W大的晶体管密集地集中在存储单元阵列的端部。如果采用第一实施方式，则由于通过使第一写入布线WL1中的电流方向为单一方向，如上所述减少周边电路部的晶体管，所以还连带着解决本问题。
另外，在第一实施方式中，初始状态的MTJ元件10的磁化方向虽然使固定层11及自由层13两者都朝向同一方向，但即使设定成方向不同，也能进行同样的工作。
MRAM芯片与现有的其他半导体装置相同，预想被封入封装体中。另外，能设想MRAM能作为大容量的存储元件使用，所以在用机密保持等消去大容量的数据的情况下，可以认为要花费很多消去时间。
因此，在第二实施方式中，设计出了将上述第一实施方式的MRAM芯片封装起来，能高速消去MRAM的数据的封装结构。
图6至图8示出了MRAM芯片被封装的第一至第三模块的斜视图。图9示出了第一至第三模块的封装体的窗和MRAM的存储部的位置关系。
如图6所示，在第一模块结构中，第一实施方式的MRAM芯片20被封入封装体30中，该封装体30上设有使磁力线通过的窗31。
如图7所示，在第二模块结构中，第一实施方式的MRAM芯片20被封入封装体30中，该封装体30上设有使磁力线通过的窗31。而且，在窗31上设有进行门式开闭的盖32。
如图8所示，在第三模块结构中，第一实施方式的MRAM芯片20被封入封装体30中，该封装体30上设有使磁力线通过的窗31。而且，在窗31上设有进行推拉式开闭的盖33。
在这样的第一至第三模块结构中，如图9所示，封装体30的窗31形成得至少比MRAM芯片20的存储部21大。另外，封装体30的窗31最好形成得比MRAM芯片20的表面积小。
另外，为了确保数据的可靠性，封装体30及盖32、33也可以具有对磁力线的封闭作用。因此，封装体30及盖32、33用磁封闭材料形成，例如，能用磁性体金属合金形成。
另外，封装体30的窗31的形状、或盖32、33的形状不限定于图示的形状，也可以进行各种变更。
如果采用以上这样的第二实施方式，则能获得以下的效果。
如果采用第一模块结构，则能将磁场从封装体30的窗31加在MRAM芯片20的存储部21上，能一并消去MRAM芯片20的数据。因此，即使是大容量的数据，也能高速地消去。
如果采用第二模块结构，则不仅能获得第一模块结构的效果，而且还能通过在窗31上设置盖32，能调整磁性的影响。就是说，利用盖32及封装体30，除了再生时以外，为了保持数据而将磁力线封闭起来。因此，在一并消去以外的平时，进行磁封闭，一并消去时能从窗31将数据消去。
如果采用第三模块结构，则能获得第一及第二模块结构的效果。另外，由于盖33的开闭沿横向进行，所以与第二模块结构相比，还有减少模块上部区域的制约的效果。
这样，如果采用第一至第三模块结构，则能一并消去数据，能缩短数据消去的时间。
另外，如果数据一旦被写入上述第一实施方式的MRAM芯片20中，则不能再次改写数据。在这样的MRAM芯片20中，例如在要求再生初始状态的情况下，通过从封装体30的窗31施加磁场，也能再生初始状态。这样，将第一实施方式的MRAM芯片20封入带窗的封装体30中，能构成可能再生的只写一次存储器。
另外，如果管理正式再生时的磁力的强度，则能请求厂家等负责再生操作。另外，也可以作为产品或产品附属品购买再生装置。
另外，在第二实施方式中，将MRAM芯片20封入的封装体的种类不限定，例如也能适用于插件。
此外，本发明不限定于上述各实施方式，在实施阶段在不脱离其要旨的范围内，能进行各种变形。另外，在上述实施方式中，包括各种阶段的发明，通过把被公开的多个结构要件适当组合，能抽出各种发明。例如，在即使从实施方式的全部结构要件中去除几个结构要件，也能解决本发明的背景技术中提高的问题，获得本发明的效果的情况下，可以抽出去除了该结构要件的结构作为发明。
如上所述如果采用本发明，则能提供一种能防止一次写入的数据被改写的半导体装置及该半导体装置的数据写入方法。
权利要求
1.一种半导体装置，其特征在于包括存储部，该存储部具有分别具有难磁化轴和易磁化轴的多个磁阻效应元件，二值数据中的一种数据写入到所有这些磁阻效应元件中；以及以只将上述二值数据中的另一种数据只写入上述磁阻效应元件中的被选择的选择磁阻效应元件的方式流过写入电流的电路部。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于上述存储部包括在上述磁阻效应元件附近，沿上述难磁化轴方向延伸，连接在上述电路部上，电流只沿一个方向流的第一写入布线；以及在上述磁阻效应元件附近，沿上述易磁化轴方向延伸的第二写入布线。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于上述电路部包括一端连接在上述第一写入布线的一端上，另一端连接在电源端子上的第一电路；以及一端连接在上述第一写入布线的另一端上，另一端连接在接地端子上的第二电路。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于上述第一及第二电路是晶体管。
5.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于上述电路部包括第一电流路径的一端连接在上述第一写入布线的一端上，上述第一电流路径的另一端连接在电源端子上的PMOS晶体管；以及第二电流路径的一端连接在上述第一写入布线的另一端上，上述第二电流路径的另一端连接在接地端子上的NMOS晶体管。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于还包括将具有上述存储部和上述电路部的芯片封入，并设有使磁力线通过的窗的封装体。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于还包括设置在上述窗上的门式的第一盖。
8.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于还包括设置在上述窗上的推拉式的第二盖。
9.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于上述封装体由磁封闭材料形成。
10.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于上述第一盖由磁封闭材料形成。
11.根据权利要求8所述的半导体装置，其特征在于上述第二盖由磁封闭材料形成。
12.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于上述窗至少比上述存储部大。
13.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于上述窗至少比上述存储部大，且比上述芯片小。
14.根据权利要求6所述的半导体装置，其特征在于从上述窗将磁场加在上述存储部上，一并将上述存储部的数据消去。
15.一种半导体装置的数据写入方法，该半导体装置包括具有多个磁阻效应元件的存储部、以及以只将二值数据中的一种数据写入该存储部中的方式进行驱动的周边部，其特征在于上述数据写入方法包括以下工序在将上述一种数据写入上述多个磁阻效应元件中被选择的选择磁阻效应元件中的情况下，作为初始状态，将上述二值数据中的另一种数据设定在所有上述多个磁阻效应元件中的工序；以及将上述一种数据写入上述选择磁阻效应元件中的工序。
全文摘要
提供一种半导体装置及该半导体装置的数据写入方法，可以防止一次写入的数据被改写。该半导体装置包括具有分别具有难磁化轴和易磁化轴的多个MTJ元件(10)，二值数据中的一种数据被写入所有这些MTJ元件(10)中的存储部；以及以只把二值数据中的另一种数据只写入到MTJ元件10中的被选择的选择MTJ元件(10)中的方式流过写入电流(I1)的电路部(Tr1a、Tr1b)。
文档编号H01L21/8246GK1534677SQ20031012375
公开日2004年10月6日 申请日期2003年12月24日 优先权日2002年12月24日
发明者梶山健, 山健 申请人:株式会社东芝