專利名稱：具有中點發(fā)生器基準(zhǔn)的mram的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁電阻存儲器，尤其涉及用于讀取存儲在磁電阻存儲器中的數(shù)據(jù)的裝置和方法。
背景技術(shù)：
薄膜磁電阻隨機(jī)訪問存儲器(MRAM)可以用各種包含磁隧道結(jié)(MTJ)單元的存儲器單元實施例來制備。因為MTJ單元最容易制備和使用，因此為了理解同樣適用于其它MRAM單元和陣列的各種概念，它被用作整個說明書中的基本例子。MTJ單元基本上包括一對磁層，其間夾有絕緣層。其中一個磁層具有固定的磁矢量，另一個磁層具有可變的磁矢量，其方向或者與該固定磁矢量方向一致，或者與該固定磁矢量的方向相反。當(dāng)兩個磁矢量的方向一致時，MTJ單元的電阻，即對磁層之間流動的電流的阻力最小，而當(dāng)兩個磁矢量方向相反或方向不重合時，MTJ單元的電阻最大。
通過對MTJ單元施加磁場，以使可變磁矢量移向所選擇的取向，從而將數(shù)據(jù)存儲在MTJ單元中。通常來說，可以將排列一致的取向指定為邏輯1或0，而將排列不一致的取向指定為相反邏輯值，即邏輯0或1。通過傳遞電流從一個磁層到另一個磁層地通過MTJ單元，讀取或檢測所存儲的數(shù)據(jù)。通過MTJ單元的電流或MTJ單元上的電壓降的大小將隨可變磁矢量的取向的變化而變化。有關(guān)MTJ存儲器單元的制備和操作的附加信息可以參見1998年3月授權(quán)的題目為“多層磁隧道結(jié)存儲器單元”的專利5,702,831，這里參照引用了該專利。
在某些現(xiàn)有技術(shù)的電路里，從MTJ單元中讀取所存儲的數(shù)據(jù)是通過使電流流經(jīng)串聯(lián)電路來實現(xiàn)的，串聯(lián)電路包含負(fù)載電阻器和MTJ單元。流經(jīng)MTJ單元的電流由柵極上加有偏壓的晶體管來控制，在負(fù)載電阻和電流控制晶體管之間的連結(jié)點上獲得輸出電壓。并且，MTJ單元(和陣列中的其它MTJ單元)的位線和數(shù)據(jù)線都被該晶體管箝位到所期望電壓。這種類型的數(shù)據(jù)讀取會遇到幾個主要問題負(fù)載電阻器的電阻必須比MTJ單元的電阻大很多，這使得MTJ單元在低供電電壓下的工作變得很困難。此外，電路的工作依賴于晶體管所提供的箝位電壓和偏置電壓。然而，箝位電壓是MTJ單元的電阻、偏置電壓和負(fù)載電阻的函數(shù)，其中的任何或所有因素都會因特定讀取過程的不同、供電電壓的變化、溫度的變化和MTJ單元電阻的變化等等而發(fā)生改變。而且，現(xiàn)有技術(shù)電路中的大負(fù)載電阻和其它元件需要占用大的芯片面積，這妨礙了高密度存儲器陣列的制備。而且，由于負(fù)載電阻的存在，輸入阻抗很高。
這些問題中的某些問題已在專利號為6,205,073，題目是“用于MTJ存儲器的讀取的電流傳送器和方法”的美國專利中得到解決。在6,205,073專利的參考文獻(xiàn)中，列被散布或分布在整個MTJ陣列中。每個參考列傳送“中點(midpoint)”電流，其中通過將參考列箝位到參考偏置電壓，以使流經(jīng)參考列的電流處在流經(jīng)目標(biāo)列電流的最小值和最大值之間的點上，從而產(chǎn)生所述“中點”電流。生成參考偏置電壓的任務(wù)由兩個MTJ和某個線性CMOS電路來完成。即使這個方法是可靠的，然而它會受到CMOS電路的變化，和參考偏置電壓發(fā)生器中的MTJ沒有能力對目標(biāo)和參考列進(jìn)行密切跟蹤的缺陷(因為參考偏置發(fā)生器位于芯片的其它地方)的影響。
因此，非常希望能夠提供一種用于為讀取和檢測MTJ單元而生成中點(例如，電阻、電流和/或電壓)的設(shè)備和方法，來克服這些問題。


參照以下附圖圖1是帶有參考列的讀取電路的簡化示意圖，其中包含根據(jù)本發(fā)明嵌入在單一數(shù)據(jù)塊中的磁電阻中點發(fā)生器單元；圖2是舉例說明中點發(fā)生器的操作的簡化示意圖；圖3是與中點發(fā)生器單元相結(jié)合的數(shù)據(jù)存儲器單元的示意圖，其中舉例說明了讀取操作期間的電流；圖4是帶有參考列的讀取電路的簡化示意圖，其中包含根據(jù)本發(fā)明位于多個數(shù)據(jù)塊之間的磁電阻中點發(fā)生器單元；圖5是根據(jù)本發(fā)明、采用并-并結(jié)構(gòu)的MRAM陣列的實施例的簡化示意圖，所述并-并結(jié)構(gòu)帶有嵌入在單一數(shù)據(jù)塊中的中點發(fā)生器單元；圖6是中點發(fā)生器單元的一個實施例的簡化示意圖；圖7是中點發(fā)生器單元的另一個實施例的簡化示意圖；圖8是圖7的中點發(fā)生器單元的簡化等距視圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明、采用并-并結(jié)構(gòu)的MRAM陣列的實施例的簡化示意圖，所述并-并結(jié)構(gòu)不帶有段選擇晶體管，但帶有嵌入在單一數(shù)據(jù)塊中的中點發(fā)生器單元；圖10是圖9的結(jié)構(gòu)中的一列數(shù)據(jù)單元的簡化截面圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明、采用串-并結(jié)構(gòu)的MRAM實施例的簡化示意圖，所述串-并結(jié)構(gòu)帶有包含中點發(fā)生器單元的嵌入?yún)⒖季€；圖12是圖11的結(jié)構(gòu)中的一列數(shù)據(jù)單元的簡化截面圖；圖13是另一個中點發(fā)生器單元實施例的簡化示意圖；圖14是圖13的中點發(fā)生器單元的簡化等距視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參見圖1，簡化示意圖舉例說明了根據(jù)本發(fā)明的讀取電路和包含磁電阻中點發(fā)生器的參考列。在這個特定實施例中，參考列41被嵌入在形成單個數(shù)據(jù)塊的多個數(shù)據(jù)列中，每個數(shù)據(jù)列用40來標(biāo)明。每個數(shù)據(jù)列40包含位線42，位線42分別通過控制或激活晶體管48至51與非易失磁電阻存儲器元件對44和45、46和47連接。在這個優(yōu)選實施例中，元件44至47都是用電阻表示的磁隧道結(jié)存儲器單元。元件44到47能夠以本領(lǐng)域已知的方式編程到Rmax和Rmin狀態(tài)中的一個狀態(tài)，以充當(dāng)存儲信息的存儲器。位線42通過列選擇晶體管(或開關(guān))52與讀取電路的一個輸入端相連，讀取電路通常包含電流傳送器55，電流傳送器的輸出端與差分放大器相連。
電流傳送器電路55包含最好具有極低輸入阻抗的分立元件，使得位線42與任何高輸出阻抗的電流源相隔離。將位線42箝位至Vbias所伴隨的低輸入阻抗限制了位線42的電壓的波動，從而實現(xiàn)了很高密度MTJ陣列的高速讀取。在這個優(yōu)選實施例中，不論工作溫度如何，供電電壓的變化和處理條件如何，電流傳送器電路55都能為位線42提供和維持恒定的偏置電壓。此外，電流傳送器55為位線42上的電壓提供較小的波動，從而允許進(jìn)行高速操作。有關(guān)在電流傳送器電路55中可用的某些電流傳送器的工作原理、構(gòu)造和不同實施例的附加信息可以在專利號為6,205,073，題目為“用于MTJ存儲器的讀取的電流傳送器及其方法”的美國專利中找到，這里參考引用了該專利。當(dāng)然應(yīng)當(dāng)理解，可以使用任何執(zhí)行本發(fā)明這種功能的電流傳送器。同樣，應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語“電流傳送器”試圖包含任何執(zhí)行所描述功能的其它設(shè)備，例如電流傳感器、電流檢測放大器和前置放大器等等。
參考列41包含兩個與參考位線60相連的中點發(fā)生器58和59。參考位線60通過列選擇晶體管(或開關(guān))62與電流傳送器電路55的第二個輸入端相連。中點發(fā)生器單元58包含多個非易失磁電阻元件64至67，每個磁電阻元件具有Rmax狀態(tài)和Rmin狀態(tài)，每個磁電阻元件被設(shè)置為Rmax和Rmin兩個狀態(tài)中的一個狀態(tài)。在這個實施例中，磁電阻64和66被設(shè)置成Rmax狀態(tài)，磁電阻元件65和67被設(shè)置成Rmin狀態(tài)。而且，磁電阻64和65在單元58的輸入端(位線60)和輸出端(線63)之間連接成第一串聯(lián)電路，磁電阻元件66和67在單元58的輸入端(位線60)和輸出端(線63)之間連接成第二串聯(lián)電路。磁電阻元件64至67被連接在一起，以提供Rmax和Rmin之間的中點電阻的總電阻。類似地，中點發(fā)生器單元59包含多個(在這個實施例中是4個)連接在一起以提供Rmax和Rmin之間的中點電阻的總電阻的非易失磁電阻元件。兩個控制晶體管68和69被連接起來，用于控制流經(jīng)單元58的電流，后面將描述這一過程。
參照圖2，它提供了一個簡化的示意圖，用于舉例說明中點發(fā)生器70的操作。在Rmin和Rmax之間的中間或一半的中點電阻被標(biāo)明為Rmid。下列等式描述了Rmid與Rmin和Rmax之間的關(guān)系Rmid＝(Rmax-Rmin)/2+RminRmid＝ΔR/2+Rmin (1)其中ΔR＝Rmax-Rmin等式(1)可以通過圖2所示的磁電阻元件的串/并組合來實現(xiàn)。磁電阻元件可以以這種方式進(jìn)行組合，因為它們都是一階線性元件，因此，它們都可以看作為普通的無源線性電阻器。在這個簡化的例子中，中點發(fā)生器70包含輸入端71和輸出端72。串聯(lián)電路74包含電阻值等于Rmax的磁電阻元件75，其與電阻值等于Rmin的磁電阻元件76串聯(lián)，所述磁電阻元件在輸入端71和輸出端72之間以串聯(lián)的形式連接起來。另一個串聯(lián)電路77包含電阻值等于Rmax的磁電阻元件78，與電阻值等于Rmin的磁電阻元件79串聯(lián)在一起，所述磁電阻元件在輸入端71和輸出端72之間以串聯(lián)的形式連接起來。串聯(lián)電路74還以并聯(lián)的方式與串聯(lián)電路77連接起來以形成串/并組合。
發(fā)生器70的電阻的串/并組合如下所述Rmid＝(Rmax+Rmin)||(Rmax+Rmin)＝RAB其中RAB是輸入端71和輸出端72之間的總電阻。
RAB＝(Rmax+Rmin)2/2(Rmax+Rmin)＝(Rmax+Rmin)/2＝(ΔR+Rmin+Rmin)/2RAB＝ΔR/2+Rmin (2)可以看出等式(2)與等式(1)是相同的，即RAB等于Rmid，因此發(fā)生器70成功地產(chǎn)生了中點Rmid。
一般地，磁電阻元件是可以編程到Rmax或Rmin狀態(tài)的非易失存儲器元件，其中Rmin是對應(yīng)于平行磁化狀態(tài)的最小電阻值，Rmax是對應(yīng)于反平行磁化狀態(tài)的最大電阻值。而且，磁電阻元件通常最初處于Rmin狀態(tài)，并且在產(chǎn)生Rmid之前必須將其編程到Rmax狀態(tài)。這種編程可以一次性完成，此后，Rmax將自動地產(chǎn)生而不需要重新編程，因為磁電阻元件以非易失方式保持其磁化狀態(tài)。
參照圖3，其中舉例說明的是數(shù)據(jù)存儲器單元對(一個單元包含磁電阻元件44和控制晶體管48，另一單元包含磁電阻元件45和控制晶體管49)的簡化示意圖，其與中點發(fā)生器單元58相結(jié)合，從而示出讀取操作期間的電流。在第一存儲器單元(磁電阻元件44和控制晶體管48)的讀取操作中，字線WL0被提升為邏輯1，而字線WL1保持邏輯0的狀態(tài)。WL0上的邏輯1使控制晶體管48導(dǎo)通，使得位線42中的數(shù)據(jù)電流I流過磁電阻元件44和控制晶體管48到達(dá)返回或地線GL。
同時，在中點發(fā)生器單元58的磁電阻元件65和地線GL之間連接的控制晶體管68被WL0上的邏輯1開啟，而在中點發(fā)生器單元58的磁電阻元件67和地線GL之間連接的第二個控制晶體管69，由于WL1上的邏輯0而保持關(guān)閉狀態(tài)。參考位線60中的參考電流(Iref)在中點發(fā)生器單元58處分流，其中的一半電流流過磁電阻元件66和67，而另一半電流流過磁電阻元件64和65。在磁電阻元件65和67之間提供直接相連，使得流過磁電阻元件66和67的一半電流流過直接相連以到達(dá)控制晶體管68的上端，在此處與流經(jīng)磁電阻元件64和65的一半電流匯合。于是完整的參考電流(Iref)流過控制晶體管68到達(dá)地線GL?？梢钥闯?，當(dāng)提供邏輯1以讀取其它存儲器單元(磁電阻元件45和控制晶體管49)中存儲的信息時，出現(xiàn)類似的電流(但以相反的方向通過直接連接)。因此，參考電流(Iref)在中點發(fā)生器單元58中流動，以產(chǎn)生中點電壓Vdataref，以作為所有類型的檢測放大器的參考電壓，例如在電流傳送器55中用來產(chǎn)生Vref。
參照圖4，其中的簡化示意圖根據(jù)本發(fā)明舉例說明了帶有參考列的讀取電路，包含位于多個數(shù)據(jù)塊之間的磁電阻中點發(fā)生器單元。圖4包含數(shù)據(jù)塊80和數(shù)據(jù)塊81，而參考列82位于它們之間。數(shù)據(jù)塊80和81是相似的，為了簡化起見，例子中是4位乘4位的塊，但應(yīng)當(dāng)理解，任何方便的尺寸都可以使用。如結(jié)合圖1的實施例所描述的那樣，數(shù)據(jù)塊80包含4個位線83，每個位線通過列選擇晶體管84與電流傳送器電路85相連。類似地，數(shù)據(jù)塊81包含4個位線86，每個位線通過列選擇晶體管87與電流傳送器88相連。參考列82與圖1中的參考列41類似，并以相似的方式工作。在這個實施例中的一個差別是參考列82為它自己的電流傳送器電路89提供參考信號。電流傳送器電路85和89的輸出信號在比較器90中進(jìn)行比較，以提供數(shù)據(jù)塊80的輸出信號。電流傳送器電路88和89的輸出信號在比較器91中進(jìn)行比較，以提供數(shù)據(jù)塊81的輸出信號。因此，并入一個或多個中點發(fā)生器的單個參考列可以與多個數(shù)據(jù)塊結(jié)合使用，或如圖1所描述的那樣，參考列可以嵌入在每個數(shù)據(jù)塊中。
現(xiàn)在參照圖5，其中根據(jù)本發(fā)明舉例說明了并入散布的中點發(fā)生器的磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)的另一個實施例。圖5所例舉的存儲器結(jié)構(gòu)被看稱作并-并存儲器結(jié)構(gòu)，并且將這種存儲器統(tǒng)一標(biāo)明為100。存儲器100包含嵌入在多個數(shù)據(jù)列(每個數(shù)據(jù)列用102來標(biāo)明)中的參考列101，所述數(shù)據(jù)列形成單個數(shù)據(jù)塊。每個數(shù)據(jù)列102包含全局位線103和本地位線104，本地位線104通過段選擇晶體管105與相關(guān)的全局位線103相連。非易失磁電阻存儲器元件106、107、108和109中的每個都有一邊與相關(guān)的本地位線104相連，而另一邊分別通過控制或激活晶體管112至115與地線GL相連。
在這個優(yōu)選實施例中，元件106至109是用電阻表示的磁隧道結(jié)存儲器單元。元件106至109中的每個都可通過本領(lǐng)域已知的方式編程到Rmax和Rmin狀態(tài)中的一個狀態(tài)，以充當(dāng)存儲信息的存儲器。每個全局位線102通過列選擇晶體管(或開關(guān))117與電流傳送器電路118的一個輸入端相連，電流傳送器電路118的輸出端與差分放大器119相連。并-并結(jié)構(gòu)的附加信息和實施例已在轉(zhuǎn)讓給相同受讓人、序號為09/649,562、2000年8月提交、題目為“MTJ MRAM并-并結(jié)構(gòu)”的待審美國專利申請中公布過，這里參考引用了該申請。
參考列101包含兩個中點發(fā)生器單元120和121，它們通過本地參考位線122相連。并且，位線122通過段選擇晶體管124與全局參考位線123相連。全局參考位線123通過列選擇晶體管(或開關(guān))127連到電流傳送器電路118的第二個輸入端上。在這個實施例中，中點發(fā)生器單元120包含多個非易失磁電阻元件128至131，每個都具有Rmax和Rmin狀態(tài)，并且每個都可以被設(shè)置為Rmax和Rmin狀態(tài)之一。如圖1所述，通常將磁電阻元件128至131連接在一起以提供Rmax和Rmin之間的中點電阻的總電阻。類似地，中點發(fā)生器單元121包含多個(在這個實施例中是4個)非易失磁電阻元件，它們都連接在一起以提供Rmax和Rmin之間的中點電阻的總電阻。
另外參照圖6，其中單獨說明了中點發(fā)生器單元120以便更好地闡述下列電路中的修改。而且，在實際構(gòu)造中，磁電阻元件128至131通常作為位于支持層(例如，半導(dǎo)體襯底或類似材料)上的材料堆疊或疊層而進(jìn)行制備的。圖6中，形成磁電阻元件的每個堆疊的底部用B來標(biāo)明，而堆疊的上部用T來標(biāo)明。這里應(yīng)當(dāng)注意，引入一對控制晶體管132和133，以根據(jù)所讀取的相關(guān)數(shù)據(jù)單元來控制流經(jīng)中點發(fā)生器單元120的電流的方向(完整的解釋參見圖3)。通常在半導(dǎo)體襯底上形成控制晶體管，但是在這個實施例中，每個控制晶體管132和133的一個電流端子分別與磁電阻元件128和129的頂層相連。
為了減少圖6中所例舉的中點發(fā)生器單元的連接和部件，可以使用圖7所例舉的另一個實施例。中點發(fā)生器單元140包含4個磁電阻元件141至144，其中堆疊的底部和頂部用B和T來標(biāo)明。在這個實施例中，元件141和143的底部連在一起，并且元件142和144的底部連在一起。同樣，元件141和142的頂部連在一起，并且元件143和144的頂部連在一起。圖8是一般性地舉例說明磁電阻元件141至144的物理位置的簡化等距視圖。容易看出，通過這種布局，磁電阻141至144的相互連接和制備大大地簡化了。
元件142至144的底部連到地線GL。元件141的底部通過控制晶體管147連到本地位線145，而元件143的底部通過控制晶體管148連到本地位線145。因為通常在半導(dǎo)體襯底(堆疊的底部)上形成控制晶體管，這種連接可非常簡單地并入實際結(jié)構(gòu)中。而且，可以看出，當(dāng)控制晶體管147或控制晶體管148被接通時，磁電阻元件141至144形成前面所描述的并聯(lián)電路，以在本地位線145上產(chǎn)生所期望的中點。
參照圖9，其中的簡化示意圖舉例說明了并-并結(jié)構(gòu)的存儲器150。存儲器150通常與圖5中的存儲器100相類似，除開已經(jīng)去掉了段選擇晶體管105，繼而去掉分立的本地位線104，以及全局位線和MTJ存儲器單元之間的控制晶體管112的連接。并且，參考列151包含兩個中點發(fā)生器單元152和153，每個中點發(fā)生器單元都與圖7的中點發(fā)生器單元140相類似。這里可以看出，磁電阻元件和控制晶體管都以規(guī)則的圖案定位，使得這個實施例的制備大大地簡化。參照圖10，其中的簡化截面視圖舉例說明了去掉段選擇晶體管的數(shù)據(jù)元件列中的數(shù)據(jù)磁電阻元件和控制晶體管的物理定位。在這種結(jié)構(gòu)中去掉段選擇晶體管節(jié)省了存儲器的面積和通過段選擇晶體管的時延。然而增加了所有控制或隔離晶體管的結(jié)電容，這將導(dǎo)致在某種程度上的速度下降。
相對器件的規(guī)則圖案，應(yīng)當(dāng)注意，通過激活相關(guān)的全局位線(GBL0至GBL3)和相關(guān)的數(shù)字線(digitline)(DL0至DL3)來選擇任何特定數(shù)據(jù)元件。當(dāng)通過激活適當(dāng)?shù)娜治痪€和數(shù)字線DL0來選擇4個數(shù)據(jù)列中的任何一列的上部數(shù)據(jù)元件時，中點發(fā)生器單元152中的上部控制晶體管也被激活。因此通過激活全局參考位線GBLref，在中點發(fā)生器單元152中產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膮⒖夹盘?，并將該參考信號施加給全局參考位線GBLref上，并且通過電流傳送器到達(dá)比較器。所使用的特定中點發(fā)生器單元總是放置所讀取的數(shù)據(jù)單元的附近，使得所讀取的數(shù)據(jù)單元和中點發(fā)生器單元之間在結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境因素(例如溫度等等)方面差別最小或沒有差別。
現(xiàn)在參照圖11，其中的簡化示意圖舉例說明了串-并結(jié)構(gòu)的MRAM陣列200的實施例。陣列200包含多個(此例中為4個)數(shù)據(jù)單元204的列202，和包含根據(jù)本發(fā)明的中點發(fā)生器單元208的嵌入?yún)⒖剂?06。每個數(shù)據(jù)單元204包含與控制晶體管并聯(lián)的磁電阻元件。這里應(yīng)當(dāng)注意，控制晶體管通常導(dǎo)通以便短路或從電路中去掉磁電阻元件。為了讀取數(shù)據(jù)單元，控制晶體管被置為非導(dǎo)通。每個數(shù)據(jù)列202包含多個串聯(lián)的段，每段包含多個串聯(lián)數(shù)據(jù)單元204。每個串聯(lián)的段通過段選擇晶體管212被連接到全局位線210，使得列中所有串聯(lián)的段都并聯(lián)起來。列202的每個全局位線210通過列選擇晶體管214與電流傳送器215的一個輸入端相連。另外參照圖12，其中的簡化截面視圖舉例說明了一個數(shù)據(jù)列202的串聯(lián)段。有關(guān)串-并結(jié)構(gòu)的附加信息和實施例在轉(zhuǎn)讓給同一受讓人、2000年8月28日提交、序號為09/649,117、題目為“MTJ MRAM串-并結(jié)構(gòu)”的美國專利申請中公布過，這里參考引用了該申請。
參考列206包含與參考位線216相連的中點發(fā)生器單元208的多個串聯(lián)段。參考位線216通過列選擇晶體管(或開關(guān))217連到電流傳送器電路215的第二個輸入端上。每個中點發(fā)生器單元208包含多個非易失磁電阻元件220至223，每個都具有Rmax和Rmin狀態(tài)，每個都被設(shè)置為Rmax和Rmin中的一個狀態(tài)。參照圖13，為了更好地理解其操作，其中舉例說明了單個中點發(fā)生器單元208。除磁電阻元件220至223之外，每個中點發(fā)生器單元208包含一對在串聯(lián)的磁電阻元件221和223上串聯(lián)的控制晶體管225和226。因此，每個中點發(fā)生器單元208包含在I/O端子A和B之間串聯(lián)的磁電阻元件220和222，在I/O端子A和B之間串聯(lián)的磁電阻元件221和223，在I/O端子A和B之間串聯(lián)的控制晶體管225和226。圖14的簡化等距視圖舉例說明了圖13的單個中點發(fā)生器單元208。
在對每個中點發(fā)生器單元208進(jìn)行編程時，通過全局位線216將編程電流提供給磁電阻元件220和222，通過第二個全局位線230將編程電流提供給磁電阻元件221和223。通過數(shù)字線DL0或DL1提供附加的編程和選擇或?qū)ぶ?。這里應(yīng)當(dāng)注意，陣列200中的每個串聯(lián)段中的每個數(shù)據(jù)單元可以通過全局位線和數(shù)字線DL0至DL3單獨進(jìn)行尋址。在每個中點發(fā)生器單元208中，磁電阻元件220和221被編程到Rmax狀態(tài)，而磁電阻元件222和223被編程到(或保持在)Rmin狀態(tài)。在端子A和B之間的最終電阻值是RAB＝ΔR/2+Rmin。
在操作中，控制晶體管225和226通常導(dǎo)通，使得中點發(fā)生器單元208(參照圖13)通常斷開，或?qū)﹃嚵袥]有影響。當(dāng)通過激活數(shù)字線DL0或數(shù)字線DL1來選擇陣列200中包含磁電阻元件220和221的行中的數(shù)據(jù)單元，或包含磁電阻元件222和223的行中的數(shù)據(jù)單元時，分別關(guān)閉控制晶體管225或226。當(dāng)控制晶體管225或226處于非導(dǎo)通狀態(tài)時，中點發(fā)生器單元208(參照圖13)在電路中，并在全局位線216上向電流傳送器215提供參考信號。
在上面所有的實施例中，應(yīng)當(dāng)理解，多個數(shù)據(jù)列與單個參考列相關(guān)或能夠相關(guān)，參考列可以散布、嵌入或者分布在數(shù)據(jù)列的整個陣列中。例如，在圖1所例舉的結(jié)構(gòu)中，參考列可以包含中點發(fā)生器，而每一邊的數(shù)據(jù)列可擴(kuò)展為4個、8個等等。所包含的參考列的數(shù)目可以很少，其中有限數(shù)目的參考列在包括8、16、32或64個數(shù)據(jù)塊的整個陣列中分布。
一般來說，MRAM結(jié)構(gòu)中的參考列由n/2個中點發(fā)生器單元構(gòu)成，其中n是每個數(shù)據(jù)列中存儲器單元的數(shù)目。并且，每個參考列內(nèi)中點發(fā)生器的布局使得每個中點發(fā)生器占據(jù)4個磁電阻元件所占用的面積。也就是說，存儲器通常在單個襯底(例如，半導(dǎo)體芯片或類似材料)上制備，而磁電阻元件位于規(guī)則圖案的行和列上。而且，多個數(shù)據(jù)列的磁電阻元件和多個參考列的磁電阻元件通常都很相似。包含中點發(fā)生器的參考列的一個非常重要的方面在于，它的電容性地非常接近相鄰的數(shù)據(jù)列。因此，數(shù)據(jù)和參考列上的所有時變信號均非常密切地相隨，從而實現(xiàn)高速讀取處理。
于是，這里公開和描述了新的和改進(jìn)的MRAM結(jié)構(gòu)，其大大改進(jìn)了磁電阻元件讀取電路的操作和可靠性。由于有了帶有中點發(fā)生器的新的和改進(jìn)的參考列，電路工作更快而且更為可靠。由于有了帶有中點發(fā)生器的新的和改進(jìn)的參考列，可以進(jìn)行超快速讀取，且結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)健和可靠，至少可與SRAM的性能相比。
盡管我已經(jīng)給出和描述了本發(fā)明的特別實施例，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員將可以進(jìn)一步地對其做出修正和改進(jìn)。因此我希望應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于所給出的特殊形式，我的意思是指附加的權(quán)利要求覆蓋了不違背此項發(fā)明的宗旨和范圍的所有修正。
權(quán)利要求
1.一種磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，包括被連接以便在其中存儲信息的存儲器單元的數(shù)據(jù)列，每個存儲器單元包含可編程到Rmax和Rmin狀態(tài)之一的非易失磁電阻元件；包含中點發(fā)生器單元的參考列，位于數(shù)據(jù)列的附近，中點發(fā)生器單元包含多個非易失磁電阻元件，其中每個磁電阻元件均具有Rmax狀態(tài)和Rmin狀態(tài)，每個磁電阻元件被設(shè)置為Rmax和Rmin之一，并且多個非易失磁電阻元件被連接在一起以提供Rmax和Rmin之間的中點電阻的總電阻。
2.如權(quán)利要求1所述的磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，還包含與數(shù)據(jù)列和參考列相連的差分讀出電路，用于差分比較數(shù)據(jù)列所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)電壓和中點發(fā)生器單元所產(chǎn)生的參考電壓，并提供數(shù)據(jù)輸出信號。
3.如權(quán)利要求1所述的磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，其中存儲器單元的數(shù)據(jù)列中的每個存儲器單元包含磁隧道結(jié)和控制晶體管。
4.如權(quán)利要求1所述的磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，其中數(shù)據(jù)列包含多對存儲器單元，并且參考列包含在操作中和物理上與每對存儲器單元相關(guān)的中點發(fā)生器。
5.如權(quán)利要求2所述的磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，還包含與參考列位置鄰近的多個存儲器單元數(shù)據(jù)列，該多個數(shù)據(jù)列一次一個地選擇性連接到差分讀取電路，用于差分比較多個數(shù)據(jù)列中選定的數(shù)據(jù)列所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)電壓與中點發(fā)生器所產(chǎn)生的參考電壓。
6.如權(quán)利要求2所述的磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，還包含多個存儲器單元數(shù)據(jù)列和多個參考列，每個參考列包含中點發(fā)生器，多個參考列被散布在多個數(shù)據(jù)列。
7.如權(quán)利要求6所述的磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，其中多個數(shù)據(jù)列被分成數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊包含該多個數(shù)據(jù)列的一部分，且該多個參考列中的每個一次一個地嵌入在每個數(shù)據(jù)塊中，多個數(shù)據(jù)列的該部分和嵌入在相關(guān)塊中的參考列被連接，以分別向差分讀出電路提供數(shù)據(jù)電壓和參考電壓。
8.如權(quán)利要求6所述的磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，其中多個數(shù)據(jù)列被分成數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊包含多個數(shù)據(jù)列的一部分，多個參考列一次一個地被放置在相鄰數(shù)據(jù)塊之間，相鄰數(shù)據(jù)塊和在相鄰數(shù)據(jù)塊之間散布的參考列被連接，以分別提供數(shù)據(jù)電壓和參考電壓到差分讀出電路。
9.如權(quán)利要求6所述的磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，其中多個數(shù)據(jù)列的存儲器單元按并-并結(jié)構(gòu)布置。
10.如權(quán)利要求9所述的磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，其中多個數(shù)據(jù)列中的每個列包含全局位線，和通過段選擇晶體管連接到全局位線的本地位線。
11.如權(quán)利要求9所述的磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，其中多個數(shù)據(jù)列中的每個列包含全局位線和本地位線，本地位線包含多個存儲器單元，每個存儲器單元包含串聯(lián)的磁隧道結(jié)和控制晶體管，每個存儲器單元的控制晶體管直接連接到全局位線。
12.如權(quán)利要求6所述的磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，其中多個數(shù)據(jù)列的存儲器單元按串-并結(jié)構(gòu)布置。
13.如權(quán)利要求1中的磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，其中在參考列中包含的中點發(fā)生器單元還包含輸入端子和輸出端子，第一串聯(lián)電路，包含其電阻值等于Rmax的第一磁電阻元件，其與電阻值等于Rmin的第一磁電阻元件串聯(lián)，第一串聯(lián)電路在輸入端子和輸出端子之間串聯(lián)連接，和第二串聯(lián)電路，包含其電阻值等于Rmax的第二磁電阻元件，其與電阻值等于Rmin的第二磁電阻元件串聯(lián)，第二串聯(lián)電路在輸入端子和輸出端子之間串聯(lián)連接，并且與第一串聯(lián)電路并聯(lián)，其中輸入端子和輸出端子之間的總電阻是Rmax和Rmin之間的中點。
14.一種磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，包括襯底；存儲器單元的數(shù)據(jù)列，位于襯底上并且被連接以在其中存儲信息，每個存儲器單元包含可編程到Rmax和Rmin狀態(tài)之一的非易失磁電阻元件；參考列，包含位于和數(shù)據(jù)列鄰近的襯底上的中點發(fā)生器，中點發(fā)生器包含與參考列連接的第一端子和第二端子，第一串聯(lián)電路包含電阻值等于Rmax的第一磁電阻元件，其與電阻值等于Rmin的第一磁電阻元件串聯(lián)，第一串聯(lián)電路在第一端子和第二端子之間串聯(lián)連接，以及第二串聯(lián)電路，包含電阻值等于Rmax的第二磁電阻元件，其與其電阻值等于Rmin的第二磁電阻元件串聯(lián)，第二串聯(lián)電路在第一端子和第二端子之間串聯(lián)連接，并與第一串聯(lián)電路并聯(lián)，其中第一端子和第二端子之間的總電阻為Rmax和Rmin之間的中點；和差分讀出電路，與數(shù)據(jù)列和參考列相連，用于差分比較數(shù)據(jù)列所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)電壓與中點發(fā)生器單元所產(chǎn)生的參考電壓，并提供數(shù)據(jù)輸出信號。
15.一種磁電阻隨機(jī)訪問存儲器結(jié)構(gòu)，包括多個存儲器單元數(shù)據(jù)列，所述存儲器單元被連接以在其中存儲信息，每個存儲器單元包含可編程到Rmax和Rmin狀態(tài)之一的磁電阻隧道結(jié)元件，多個數(shù)據(jù)列被分成數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊包含多個數(shù)據(jù)列的一部分；多個參考列，其中每個參考列包含多個中點發(fā)生器單元，每個中點發(fā)生器單元包含與相關(guān)參考列連接的第一端子和第二端子，第一串聯(lián)電路包含電阻值等于Rmax的第一磁電阻元件，其與電阻值等于Rmin的第一磁電阻元件串聯(lián)，第一串聯(lián)電路在第一端子和第二端子之間串聯(lián)連接，以及第二串聯(lián)電路，包含電阻值等于Rmax的第二磁電阻元件，其與電阻值等于Rmin的第二磁電阻元件串聯(lián)，第二串聯(lián)電路在第一端子和第二端子之間串聯(lián)連接，并與第一串聯(lián)電路并聯(lián)，其中第一端子和第二端子之間的總電阻為Rmax和Rmin之間的中點；多個參考列，其按照以下結(jié)構(gòu)之一被散布在多個數(shù)據(jù)列之間參考列一次一個地放置在相鄰數(shù)據(jù)塊之間的結(jié)構(gòu)，和參考列一次一個地嵌入在每個數(shù)據(jù)塊中的結(jié)構(gòu)；和差分讀出電路，與多個數(shù)據(jù)列和多個參考列相連，用于差分比較所選擇的數(shù)據(jù)列中的數(shù)據(jù)單元所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)電壓，和多個參考列中與所選擇的數(shù)據(jù)列鄰近的參考列的中點發(fā)生器單元所產(chǎn)生的參考電壓，并提供數(shù)據(jù)輸出信號。
全文摘要
MRAM結(jié)構(gòu)包含存儲器單元(44－47)的數(shù)據(jù)列(40)和參考列(41)，參考列包含中點發(fā)生器，參考列位于襯底上數(shù)據(jù)列的附近。存儲器單元(58－59)和中點發(fā)生器包含類似的磁電阻存儲器元件，例如MTJ元件。發(fā)生器中的每個MTJ元件都被設(shè)置為Rmax和Rmin兩個狀態(tài)中的一個狀態(tài)，并將它們連接起來以提供Rmax和Rmin之間的中點的總電阻。差分讀出電路與數(shù)據(jù)列和參考列相連，用于比較數(shù)據(jù)電壓和參考電壓的差異。
文檔編號H01L27/105GK1550017SQ02816923
公開日2004年11月24日 申請日期2002年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月27日
發(fā)明者比德·K·納吉, 比德 K 納吉 申請人:自由度半導(dǎo)體公司