專利名稱：磁性隨機存取存儲器參考中點電流發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁性隨機存取存儲器的參考值發(fā)生器，特別涉及能夠產(chǎn)生精準可靠的參考中點電流值的參考值發(fā)生器。
背景技術(shù)：
磁性隨機存取存儲器(MRAM)具有非非易失性、高密集度、高讀寫速度、抗輻射線等等優(yōu)點，在讀取存儲數(shù)據(jù)時，需提供電流源或電壓源流入選擇到的磁性存儲元件(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)，讀取其電阻值的不同以決定數(shù)據(jù)的數(shù)字值。而寫入數(shù)據(jù)時，一般所使用的方法是利用位線(Bit Line)與字符線(Write Word Line)兩條電流線，感應(yīng)磁場交叉選擇到的存儲元件的位置，藉以改變磁性存儲元件的磁性材料的磁化方向，以更改其數(shù)據(jù)狀態(tài)。如圖1所示，該圖為現(xiàn)有技術(shù)的磁性隨機存取存儲器結(jié)構(gòu)示意圖，介于字符線11與位線13之間的存儲元件10是多層磁性金屬材料的堆疊結(jié)構(gòu)，包含一層軟磁材料層、一層非磁性導(dǎo)電層或隧道阻擋層(Tunnel Barrier)、以及一層硬磁材料層，由上述兩層鐵磁材料的磁化方向平行或反平行，來決定存儲“1”或“0”的狀態(tài)。以目前磁性隨機存取存儲器的開發(fā)現(xiàn)況，其主要結(jié)構(gòu)的存儲單元為使用一個磁性存儲元件(1MTJ)加一個晶體管(1T)稱為1T1MTJ結(jié)構(gòu)的存儲結(jié)構(gòu)，形成約20F2(F為技術(shù)指標的特征容量)的存儲容量。如圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)磁性隨機存取存儲器的1T1MTJ結(jié)構(gòu)示意圖(US 5,734,605)，圖中示出相互垂直交叉的多條字符線11與位線13，其間穿插設(shè)置有多個磁性存儲元件10與多個晶體管15。另外，現(xiàn)有技術(shù)另提出以不同電阻特性相互并聯(lián)，使得存儲元件體積大幅減小的結(jié)構(gòu)。
在磁性隨機存取存儲器單元中，包含多個擁有磁電阻效應(yīng)如巨磁阻效應(yīng)(giant magneto resistance，GMR)或穿隧磁阻效應(yīng)(tunneling magnetoresistance，TMR)的存儲元件，可寫入及讀出其數(shù)據(jù)狀態(tài)；為了判別存儲數(shù)據(jù)的邏輯狀態(tài)，常由一個參考值發(fā)生器產(chǎn)生參考電流以進行與存儲數(shù)據(jù)的比對。但，隨著存儲元件尺寸愈趨縮小，感應(yīng)存儲單元的電流的信號差異漸漸縮小，且由于制造工藝因素的不均勻性，會造成磁性隨機存取存儲器陣列存儲元件(MTJ Array)彼此間的特性差異，都有可能造成讀取存儲數(shù)據(jù)的錯誤。以使用兩個不同電阻特性的磁性存儲元件加一個晶體管(1T2MTJ)的存儲結(jié)構(gòu)為例，形成四穩(wěn)態(tài)的存儲讀取機制，需要一組能夠提供三種參考值的信號發(fā)生器，以判別數(shù)據(jù)的邏輯值。同理，若以使用三個不同電阻特性的磁性存儲元件加一個晶體管(1T3MTJ)的存儲結(jié)構(gòu)所組成的八穩(wěn)態(tài)的存儲讀取機制，就需要七個參考值的信號發(fā)生器以判別數(shù)據(jù)。
現(xiàn)有的1T1MTJ結(jié)構(gòu)中所使用的中點電阻參考值發(fā)生器(US 6,392,923)如圖3A及圖3B所示，其中點電阻值Rmid為存儲單元中的電阻特性最大的電阻值Rmax10與最小的電阻值Rmin10′相互串聯(lián)再并聯(lián)后所得到等效的中點電阻值Rmid。但由于此發(fā)生器內(nèi)的參考存儲單元與儲存數(shù)據(jù)的存儲單元所承受的端電壓不相同，所以利用此方法產(chǎn)生的參考信號會有偏差現(xiàn)象，將來存儲器元件再微縮下去，噪聲裕度變小，而可能會造成數(shù)據(jù)誤判。另外，此種串/并聯(lián)連接方式的連線及蔭罩布局相當復(fù)雜，應(yīng)用在1T2MTJ乃至1T3MTJ以上的結(jié)構(gòu)的話，其參考值發(fā)生器的體積將會變得相當龐大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺點，提供一種使用簡化的磁性隨機存取存儲器的參考電流值發(fā)生器，產(chǎn)生一參考中點電流信號，藉以和磁性隨機存取存儲器的存儲數(shù)據(jù)比對，從而解決因制造工藝因素造成磁性存儲單元之間的差異所產(chǎn)生的錯誤判斷，并且藉由并聯(lián)兩組以上的參考電流值發(fā)生器，來矯正發(fā)生器內(nèi)的存儲元件本身的特性偏差或缺陷，以提供更準確的參考值信號。本發(fā)明所提出的參考值發(fā)生器，設(shè)置于磁性隨機存取存儲器的存儲單元的鄰近，所使用的參考元件是與存儲器單元相同的存儲元件并承受相同的端電壓，因此不會因磁性存儲器中的磁性存儲元件(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)特有的偏置電壓相關(guān)特性而造成參考值的偏移。這些參考元件藉由一條或多條位線組成參考值發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，利用與存儲單元相同的電壓端接于上述的參考元件上而產(chǎn)生多個電流信號；并藉由外圍IC電路將這些電流信號二等分，得到多個中點電流參考值，可分別供雙穩(wěn)態(tài)、四穩(wěn)態(tài)及八穩(wěn)態(tài)以上的多穩(wěn)態(tài)存儲單元讀取數(shù)據(jù)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的磁性存儲器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)的磁性隨機存取存儲器的1T1MTJ結(jié)構(gòu)示意圖；圖3A為現(xiàn)有技術(shù)的中點電阻值選擇示意圖；圖3B為現(xiàn)有技術(shù)的參考存儲單元組合結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的參考電流值發(fā)生器的電路示意圖；圖5為本發(fā)明的中點電流參考值發(fā)生器的并聯(lián)電路示意圖；圖6為四穩(wěn)態(tài)存儲單元與圖5的參考值發(fā)生器的組合示意圖；圖7為本發(fā)明另一種參考值發(fā)生器的實施示意圖；圖8為圖7的參考值發(fā)生器兩組并聯(lián)成的參考值發(fā)生器的實施示意圖。
具體實施例方式
參照圖4，該圖為本發(fā)明的參考電流值發(fā)生器的電路示意圖，圖中示出多組1T2MTJ結(jié)構(gòu)(2MTJ為兩個不同電阻特性R1、R2的磁性存儲元件40及40′，1T為一個晶體管42)利用多條位線41與多條字符線43交錯組成具有四個存儲狀態(tài)R1max//R2max、R1max//R2min、R1min//R2max及R1min//R2min的四穩(wěn)態(tài)存儲單元的參考電流值發(fā)生器400。其中第一存儲單元401為兩個不同電阻特性R1、R2的磁性存儲元件40、40′加一個晶體管42的1T2MTJ結(jié)構(gòu)，晶體管42為控制該存儲元件的讀取開關(guān)。該第一存儲單元401預(yù)先設(shè)定成具有R1max存儲元件40及R2max存儲元件40′，并產(chǎn)生電流值I11。同理，第二存儲單元402預(yù)先設(shè)定成具有R1max存儲元件40及R2min存儲元件40′并產(chǎn)生電流值I10。因此，圖中所示的四穩(wěn)態(tài)存儲單元中最左側(cè)的一條位線41上的四個磁性存儲元件40、40′產(chǎn)生第一種參考電流信號(I11+I10)。同理，第三存儲單元403預(yù)先設(shè)定成具有R1min存儲元件40及R2max存儲元件40′并產(chǎn)生電流值I01，因此，中間一條位線41的四個磁性存儲元件40、40′產(chǎn)生第二種參考電流信號(I10+I01)。另外，第四存儲單元404預(yù)先設(shè)定成具有R1min及R2min存儲元件40、40′并產(chǎn)生電流值I00，因此，最右側(cè)一條位線41的四個磁性存儲元件40、40′產(chǎn)生第三種參考電流信號(I01+I00)。因該參考值發(fā)生器內(nèi)的磁性存儲元件40、40′承受與主存儲器中的存儲元件相同的端電壓，所以磁阻與偏置電壓相關(guān)性特性相同。將以上三種參考電流信號(I11+I10)、(I10+I01)以及(I01+I00)傳送到外圍讀出電路(圖中未示)再二等分就可得到三個中點電流參考值(I11+I10)/2、(I10+I01)/2和(I01+I00)/2。由于外圍讀出電路用傳統(tǒng)的IC制造工藝，所以相當?shù)臏蚀_，依照此方式產(chǎn)生的參考中點電流值再與存儲單元的感應(yīng)信號進行比較，便可準確地判別數(shù)據(jù)。
參照圖5，該圖為本發(fā)明的中點電流參考值發(fā)生器500的并聯(lián)電路示意圖。利用位線(51，52，53)并聯(lián)連接一組如圖4所示的四穩(wěn)態(tài)參考值發(fā)生器400，以此多個參考值發(fā)生器的組合累加所生成的參考電流，送到外圍的讀出電路后再四等分，可得到更精確的參考中點電流值。圖標的兩組參考值發(fā)生器400、400共享第一位線51后產(chǎn)生電流值2×(I11+I10)，另外共享第二位線52產(chǎn)生電流值2×(I10+I01)，第三位線53產(chǎn)生電流值2×(I01+I00)。外圍電路將第一位線51產(chǎn)生的2×(I11+I10)電流值四等分，便能產(chǎn)生準確的(I11+I10)/2中點電流值。依此方法可將參考值發(fā)生器內(nèi)的磁性存儲元件信號取平均值，以消除在參考值發(fā)生器內(nèi)的磁性存儲元件本身的特性偏差或缺陷所造成的參考值偏差。因此，可以提高存儲數(shù)據(jù)的判別率。同理，并聯(lián)多組(N組)參考值發(fā)生器400，其中一條位線產(chǎn)生電流值N(I11+I10)，再傳送至外圍的讀出電路并2N等分，即形成精確、高可靠性的參考中點電流值。
圖6為四穩(wěn)態(tài)存儲陣列600與圖5的參考值發(fā)生器500的組合示意圖，該存儲陣列600的存儲單元601中包含兩個不同電阻特性(R1、R2)的磁性存儲元件60、60′，若以相同電壓跨接其上，可產(chǎn)生的電流信號分別為I11、I10、I01以及I00。將本發(fā)明的參考值發(fā)生器500設(shè)于存儲陣列600的附近，藉此將存儲陣列600可能產(chǎn)生的I11、I10、I01或I00之一的電流信號及參考值發(fā)生器500產(chǎn)生的三個電流信號分別傳送到感應(yīng)放大電路(即外圍讀取電路)65，并形成三個中點電流參考值(I11+I10)/2、(I10+I01)/2以及(I01+I00)/2，再藉由該三個中點電流參考值區(qū)別四個數(shù)據(jù)存儲單元601，以獲得磁性存儲元件60、60′的邏輯狀態(tài)。
圖7為本發(fā)明另一種參考值發(fā)生器700的實施示意圖，該圖為1T1MTJ結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)存儲單元的實施例，預(yù)先設(shè)定好大小兩個電阻值Rmax、Rmin的第一存儲元件71及第二存儲元件72分別跨接于兩條字符線73，并以相同于存儲器陣列900的存儲元件所使用的電壓跨接其上，產(chǎn)生電流Imax+Imin，再經(jīng)由位線74傳送到感應(yīng)放大器75，產(chǎn)生參考中點電流值，再與存儲器陣列900傳送來的感應(yīng)電流信號進行比較，以彌補因磁性存儲元件特有的偏置電壓相關(guān)性造成參考值的偏移。
圖8為如圖7的參考值發(fā)生器700兩組并聯(lián)成的參考值發(fā)生器800的實施示意圖，該存儲單元預(yù)先設(shè)定有Rmax及Rmin兩種電阻狀態(tài)的第一存儲元件82及第二存儲元件83，同樣以相同于存儲器陣列900的電壓跨接其上，產(chǎn)生2×(Imax+Imin)電流，再經(jīng)由共同的位線81傳送到感應(yīng)放大器75，產(chǎn)生精確的參考中點電流值，并與存儲器陣列900的存儲數(shù)據(jù)進行比較。利用該位線81可以并聯(lián)多組(N組)參考值發(fā)生器，產(chǎn)生電流值N(Imax+Imin)，傳送至感應(yīng)放大器75，再2N等分，產(chǎn)生更準確的參考中點電流值(Imax+Imin)/2，藉此可消除在參考值發(fā)生器內(nèi)的磁性存儲元件本身的特性偏差或缺陷所造成的參考值偏差綜上所述，本發(fā)明的參考值發(fā)生器利用與多個存儲單元相同的存儲元件并承受相同的端電壓，來產(chǎn)生參考電流信號，再利用傳統(tǒng)的IC電路將該電流信號二等分，產(chǎn)生精確的中點電流參考值，來與主存儲器陣列的感應(yīng)電流比較。另外，藉由并聯(lián)多組上述的參考值發(fā)生器，更可消除參考值發(fā)生器本身的缺陷，使得參考值更加準確，避免對存儲數(shù)據(jù)的誤判。又，本發(fā)明的參考值發(fā)生器可提供雙穩(wěn)態(tài)、四穩(wěn)態(tài)及八穩(wěn)態(tài)以上的多穩(wěn)態(tài)存儲單元讀取數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種磁性隨機存取存儲器的參考中點電流發(fā)生器，系供包含四穩(wěn)態(tài)存儲單元以上的多穩(wěn)態(tài)存儲單元的數(shù)據(jù)讀取，包括有多個具有兩個以上不同電阻特性的參考元件，使用多條位線，該參考元件與存儲單元的存儲元件相同，且與存儲元件承受相同的端電壓；利用與存儲單元相同的電壓跨接于上述的參考元件上，產(chǎn)生多個電流信號；并由一外圍IC電路將該多個電流信號二等分，得到多個中點電流參考值。
2.如權(quán)利要求1所述的參考中點電流發(fā)生器，供四穩(wěn)態(tài)的存儲單元的數(shù)據(jù)讀取，其特征在于該參考元件具有兩個不同電阻特性，使用三條位線，產(chǎn)生三個電流信號及三個中點電流參考值。
3.如權(quán)利要求2所述的參考中點電流發(fā)生器，其特征在于該參考元件預(yù)設(shè)有四個存儲狀態(tài)R1max//R2max、R1max//R2min、R1min//R2max及R1min//R2min，依此產(chǎn)生三個電流信號(I11+I10)、(I10+I01)以及(I01+I00)，以及三個中點電流參考值(I11+I10)/2、(I10+I01)/2和(I01+I00)/2。
4.如權(quán)利要求1所述的參考中點電流發(fā)生器，其特征在于并聯(lián)兩組以上(N組)的參考中點電流發(fā)生器，以產(chǎn)生更精確的參考中點電流值。
5.如權(quán)利要求3所述的參考中點電流發(fā)生器，其特征在于并聯(lián)兩組以上(N組)的參考中點電流發(fā)生器，依此產(chǎn)生三個電流信號N(I11+I10)、N(I10+I01)以及N(I01+I00)，并經(jīng)外圍IC電路2N等分，得到三個中點電流參考值(I11+I10)/2、(I10+I01)/2和(I01+I00)/2。
6.如權(quán)利要求1所述的參考中點電流發(fā)生器，其特征在于供多穩(wěn)態(tài)(M穩(wěn)態(tài))存儲單元的數(shù)據(jù)讀取，使用(M-1)條位線，產(chǎn)生(M-1)個電流信號及(M-1)個中點電流參考值。
7.一種磁性隨機存取存儲器的參考中點電流發(fā)生器，供雙穩(wěn)態(tài)存儲單元的數(shù)據(jù)讀取，包括有一個以上參考元件，使用一條位線；該參考元件與存儲單元的存儲元件相同，且與存儲元件承受相同的端電壓；利用與存儲單元相同的電壓跨接于上述的參考元件上產(chǎn)生一電流信號；并由外圍IC電路二等分該電流信號得到中點電流參考值。
8.如權(quán)利要求7所述的參考中點電流發(fā)生器，其特征在于該參考元件預(yù)設(shè)有二個存儲狀態(tài)Rmax及Rmin，依此產(chǎn)生電流信號(Imax+Imin)以及中點電流參考值(Imax+Imin)/2。
9.如權(quán)利要求7所述的參考中點電流發(fā)生器，其特征在于并聯(lián)兩組以上(N組)參考中點電流發(fā)生器，以產(chǎn)生更精確的參考中點電流值。
10.如權(quán)利要求9所述的參考中點電流發(fā)生器，其特征在于產(chǎn)生電流信號N(Imax+Imin)，并經(jīng)外圍IC電路將其2N等分，得到中點電流參考值(Imax+Imin)/2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種簡化的磁性隨機存取存儲器參考電流值發(fā)生器，設(shè)置于磁性隨機存取存儲器的存儲單元鄰近，所使用的參考元件是與存儲器單元相同的存儲元件并承受相同的端電壓。多個參考元件藉由一條或多條位線組成參考電流值發(fā)生器，并把與存儲單元相同的電壓跨接于上述的參考元件來產(chǎn)生多個電流信號；并由一外圍IC電路將這些電流信號二等分，得到多個中點電流參考值，供包括雙穩(wěn)態(tài)以上的多穩(wěn)態(tài)存儲單元讀取數(shù)據(jù)。
文檔編號G11C11/15GK1517995SQ03152660
公開日2004年8月4日 申請日期2003年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月7日
發(fā)明者洪建中, 高明哲, 潘宗銘, 陳永祥 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院