專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)隔離器件的mram的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁電阻存儲(chǔ)器，具體涉及被設(shè)計(jì)成不需要隔離器件的MRAM陣列結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
薄膜磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)能夠采用多種存儲(chǔ)單元實(shí)施方式，包括磁隧道結(jié)(MTJ)單元來(lái)制造。由于MTJ單元最易于制造和使用，從而將其用作本發(fā)明的基本示例，但應(yīng)當(dāng)理解，各種構(gòu)思還可應(yīng)用于其他MRAM單元和陣列。MTJ單元主要由一對(duì)磁層以及夾在之間的絕緣層組成。其中一個(gè)磁層具有固定的磁矢量，另一磁層具有可變的磁矢量，且可變磁矢量與固定磁矢量或同向(aligned)，或反向(opposite)。當(dāng)磁矢量同向時(shí)，MTJ單元的電阻，即對(duì)磁層之間電流的阻抗最小，當(dāng)磁矢量反向或不同向時(shí)，MTJ單元的電阻最大。
通過(guò)對(duì)MTJ單元施加磁場(chǎng)以使其可變磁矢量移至所選取向，從而在MTJ單元中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。通常，可將同向的取向指定為邏輯1或0，不同向的取向則相反，即為邏輯0或1。通過(guò)接通電流使其自一個(gè)磁層至另一磁層流過(guò)MTJ單元來(lái)讀取或讀出所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。流過(guò)MTJ單元的電流大小，或MTJ單元上的電壓降會(huì)隨可變磁矢量的取向而變化。在1998年3月31日授權(quán)的題名為“Multi-Layer MagneticTunneling Junction Memory Cells”的專(zhuān)利No.5,702,831中可看到關(guān)于MTJ存儲(chǔ)單元制造和操作的更多信息，該專(zhuān)利在此引作參考。
在多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)電路中，包含有隔離器件，通常為在存儲(chǔ)陣列中與每個(gè)磁電阻器件串聯(lián)或并聯(lián)的晶體管，以避免在整個(gè)存儲(chǔ)器陣列出現(xiàn)泄漏通路。在多數(shù)實(shí)例中，將磁電阻器件和隔離器件制成單個(gè)單元。例如，通常在半導(dǎo)體襯底上制造隔離晶體管(isolation transistor)，并在隔離晶體管上制造相關(guān)聯(lián)的磁電阻器件以便內(nèi)部連接。這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)問(wèn)題是，生產(chǎn)組合隔離晶體管和磁電阻器件所需的制造工作量，以及操作所需的控制線。而且，大量的隔離器件和用于隔離器件的控制線實(shí)質(zhì)上增大了存儲(chǔ)器陣列的尺寸。
在一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)存儲(chǔ)器陣列中，連接無(wú)隔離器件的磁電阻器件，從而將差分放大器的一個(gè)輸入與包含所讀取的磁電阻器件的目標(biāo)列相連，另一輸入與地相連。差分放大器中的反饋將目標(biāo)列鉗位至接地電勢(shì)。陣列中的所有其他列通過(guò)列選擇晶體管接地(即，將位線鉗位至地)。通過(guò)向包含所要讀取的磁電阻器件的行以及該行中的所有其他磁電阻器件施加讀出電壓，來(lái)執(zhí)行讀出過(guò)程。一般而言，由于陣列中所有列處在接地電勢(shì)，在落選(deselected)行上不進(jìn)行讀取的磁電阻器件之間沒(méi)有電流流動(dòng)。該結(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題是，由于鉗位電路不夠理想，其不能充分均衡目標(biāo)(所讀取的)列及其他列，導(dǎo)致造成信號(hào)損失和速度降低的潛通路(sneak path)。
在另一現(xiàn)有技術(shù)的存儲(chǔ)器陣列中，通過(guò)讀出放大器將目標(biāo)列和關(guān)聯(lián)的參考列與輸出終端連接。讀出放大器發(fā)出位線電流通過(guò)目標(biāo)列和參考列，并將兩列鉗位至相同的電勢(shì)。將目標(biāo)單元(在目標(biāo)列中)中的電流變化與流過(guò)參考單元(在參考列中)的電流相比較。不過(guò)，還不太清楚當(dāng)目標(biāo)和參考磁電阻單元都處在相同的狀態(tài)時(shí)這兩種電流有何種不同。而且，由于通路的差異，目標(biāo)和參考列將不會(huì)精確地鉗位至相同的電壓，導(dǎo)致出現(xiàn)潛通路。
因此，非常期望能夠提供不包括隔離器件，而且能克服上述問(wèn)題的磁電阻存儲(chǔ)器陣列。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明具有散布(interspersed)的參考列的無(wú)隔離磁電阻存儲(chǔ)器陣列的簡(jiǎn)化示意圖；圖2表示如圖1所示陣列的讀出部分實(shí)施方式的簡(jiǎn)化方框圖；
圖3和4表示用于如圖1所示陣列中的中點(diǎn)發(fā)生器的操作的簡(jiǎn)化示意圖；圖5表示如圖4所示的中點(diǎn)發(fā)生器的實(shí)施方式的立體圖；圖6表示從如圖5所示的線6-6所看到的剖面圖；圖7表示如圖4所示的中點(diǎn)發(fā)生器的另一實(shí)施方式的立體圖；圖8表示適用于例如如圖1所示存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的輸出電路的不同實(shí)施方式的簡(jiǎn)化示意圖；圖9表示包括有如圖1所示無(wú)隔離磁電阻存儲(chǔ)器陣列的完整存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化示意圖；圖10表示如圖9所示控制電路的其他細(xì)節(jié)的示意圖；圖11表示包括有根據(jù)本發(fā)明的無(wú)隔離磁電阻存儲(chǔ)器陣列的另一完整存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化示意圖；而圖12表示包括有根據(jù)本發(fā)明的無(wú)隔離磁電阻存儲(chǔ)器陣列的又一完整存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)參看圖1，圖1表示根據(jù)本發(fā)明具有散布參考列12的無(wú)隔離磁電阻存儲(chǔ)器陣列10的簡(jiǎn)化示意圖。在該示例中，陣列10為4×4的陣列，且參考列12包括兩個(gè)中點(diǎn)發(fā)生器14和15，每個(gè)發(fā)生器14和15占據(jù)兩行磁電阻元件。此處應(yīng)特別注意，連接多個(gè)非易失性磁電阻元件(各表示為13)以在其中存儲(chǔ)信息，所述元件均可編程至Rmax和Rmin狀態(tài)之一。在數(shù)據(jù)列(例如，列BL0)中的非易失性磁電阻元件13均無(wú)需隔離器件地在一端與列位線BL0直接相連，在另一端與多個(gè)數(shù)字線DL0至DL3中的數(shù)字線直接相連。每個(gè)位線，BL0至BL3以及BLref分別通過(guò)電流輸送電路16至20與輸出終端Vo0至Vo3以及Voref相連。
再參考圖2，圖2表示用于如圖1所示陣列10的讀出部分中的電流輸送電路16的實(shí)施方式的簡(jiǎn)化方框圖。由于電流輸送電路16至20中的每個(gè)都相似，僅對(duì)電路16進(jìn)行詳細(xì)描述。此處應(yīng)該理解，描述電路16的方框圖主要是為了結(jié)合陣列，如陣列10來(lái)說(shuō)明電流輸送器的結(jié)構(gòu)與操作。此外還應(yīng)注意，電流輸送電路16至20中任何一個(gè)或全部，或者以下所描述或涉及到的任何其他電流輸送器，可構(gòu)成電流傳感器，電流放大器，前置放大器，電流源，鉗位電路，電流-電壓轉(zhuǎn)換器等，或上述實(shí)現(xiàn)預(yù)定及所述目標(biāo)的部件的任意組合，以后將簡(jiǎn)單地稱(chēng)為“電流輸送器”或“電流輸送電路”。
在該示例性實(shí)施例中，電流輸送器16包括低阻抗終端電路21，其具有與位線BL0相連以接收IBL位線電流的終端。VBIAS信號(hào)還施加給電路21以提供鉗位參考。電路21的第二個(gè)終端從電流源23得到提供給高阻抗輸入電路22的輸入的一部分電流。電路21將來(lái)自電流源23的一部分電流從一個(gè)終端輸送至另一終端。電路22將電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓Vo0。一般而言，電路21可包括鉗位電路，電流傳感器，電流讀出放大器，前置放大器等。電路22可包括轉(zhuǎn)換器，放大器，第二讀出放大器等，且通常被包括在內(nèi)以主要用來(lái)提供電流模式操作。電流輸送器16具有非常低的輸入阻抗，從而將位線BL0與電流源23的高輸出阻抗隔離。結(jié)合以BL0的鉗位的低輸入阻抗限制了位線BL0的電壓擺動(dòng)，對(duì)密度非常高的MTJ陣列實(shí)現(xiàn)了高速讀取。從而，電流輸送器16在位線BL0上提供并保持恒定的偏壓，而與工作溫度，供電電壓的變化，以及處理?xiàng)l件無(wú)關(guān)。此外，電流輸送器16在位線BL0上具有較小的電壓擺動(dòng)，以允許高速操作。
在該示例中，電路20包括與位線BLref相連的相似電流輸送器對(duì)，位線BLref用作陣列10中的參考列。在差分放大器中，將由與位線BL0相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器單元中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)電壓，與從與位線BLref相關(guān)聯(lián)的中點(diǎn)發(fā)生器14和15所產(chǎn)生的參考電壓進(jìn)行比較，以提供數(shù)據(jù)輸出信號(hào)。在題名為“Current Conveyor and Method forReadout of MTJ Memories”的美國(guó)專(zhuān)利No.6,205,073中可得到關(guān)于電流輸送器的操作、結(jié)構(gòu)和不同實(shí)施例的更多信息，該專(zhuān)利在此引作參考。
參照顯示出中點(diǎn)發(fā)生器40的操作的簡(jiǎn)化示意圖的圖3，可更好地理解中點(diǎn)發(fā)生器14或15的操作。介于Rmin和Rmax中間的中點(diǎn)電阻被表示為Rmid。以下等式描述了Rmid與Rmin和Rmax的關(guān)系Rmid＝(Rmax-Rmin)/2+RminRmid＝ΔR/2+Rmin(1)其中，ΔR＝Rmax-Rmin等式(1)通過(guò)如圖3所示磁電阻元件的串/并聯(lián)組合而實(shí)現(xiàn)?？赏ㄟ^(guò)這種方式將磁電阻元件組合，因?yàn)樗鼈兪且浑A(first order)線性元件，因此，可將它們視為普通無(wú)源線性電阻器。在此簡(jiǎn)化示例中，中點(diǎn)發(fā)生器40包括輸入終端41和輸出終端42。串聯(lián)電路44包括電阻值等于Rmax的磁電阻元件45，和與之串聯(lián)的電阻值等于Rmin的磁電阻元件46，它們串聯(lián)在輸入終端41和輸出終端42之間。另一串聯(lián)電路47包括電阻值等于Rmax的磁電阻元件48，和與之串聯(lián)的電阻值等于Rmin的磁電阻元件49，它們串聯(lián)在輸入終端41和輸出終端42之間。串聯(lián)電路44還與串聯(lián)電路47并聯(lián)，以形成串/并聯(lián)組合。
發(fā)生器40的電阻的串/并聯(lián)組合被組合如下Rmid＝(Rmax+Rmin)‖(Rmax+Rmin)＝RAB其中，RAB為在輸入終端41和輸出終端42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)等于等式(1)，即，RAB等于Rmid，生成器40成功地產(chǎn)生中點(diǎn)Rmid。
一般而言，磁電阻元件為能夠被編程為Rmax或Rmin狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)器元件，其中，Rmin為對(duì)應(yīng)于磁化平行狀態(tài)的最小電阻值，Rmax為對(duì)應(yīng)于磁化反平行狀態(tài)的最大電阻值。此外，磁電阻元件通常最初處在Rmin狀態(tài)，且在Rmid產(chǎn)生之前必須被編程為Rmax狀態(tài)。由于磁電阻元件以非易失性方式保持其磁化狀態(tài)，該編程可一次性進(jìn)行，之后無(wú)需再進(jìn)行編程即自動(dòng)產(chǎn)生Rmax。
再參照?qǐng)D4，圖4僅示例性地說(shuō)明中點(diǎn)發(fā)生器14，以顯示在讀取操作期間的電流流動(dòng)。首先應(yīng)注意，每?jī)蓚€(gè)數(shù)字線具有相關(guān)聯(lián)的數(shù)字參考線(例如，DL0和DL1與DLref相關(guān)聯(lián))。此外，如果選擇兩個(gè)數(shù)字線中任一個(gè)(例如，或DL0或DL1)，還將選擇相關(guān)聯(lián)的數(shù)字參考線(例如，DLref)。在讀取模式中，將所選數(shù)字線及其相關(guān)聯(lián)的數(shù)字參考線接地。在圖4所示的示例中，將數(shù)字參考線DLref0接地。中點(diǎn)發(fā)生器14包括磁電阻元件52至55。將磁電阻元件52和55編程至它們的Rmax狀態(tài)。從而能夠看出，中點(diǎn)發(fā)生器14基本與圖3的結(jié)構(gòu)相同，其中，位線BLref作為一個(gè)輸出終端，數(shù)字線Dlref作為另一個(gè)輸出終端，且輸出終端之間的電阻為中點(diǎn)Rmid。
從而，在圖1中表示出對(duì)于無(wú)隔離器件的磁電阻存儲(chǔ)器陣列的新型結(jié)構(gòu)。在無(wú)隔離磁電阻存儲(chǔ)器陣列10中，電流輸送器16至20分別通過(guò)位線BL0至BL1以及BLref提供電流。而且，由于所有電流輸送器16至20均相同，以及由于所有列，包括參考列都相同，電流輸送器16至20將位線BL0至BL1以及BLref鉗位至相同的電壓。所有列或位線的鉗位電壓均相同(或非常接近)，從而使列至列的泄漏最小化。
不具有中點(diǎn)發(fā)生器14和15，無(wú)隔離磁電阻存儲(chǔ)器陣列10將不能按所述進(jìn)行操作，這是由于為能夠區(qū)分Rmin和Rmax，參考列將不得不被鉗位至不同的電壓，或者偏置電流將不得不被注入?yún)⒖剂?，以使中點(diǎn)處的參考列電流介于目標(biāo)列電流Imax和Imin之間。一旦鉗位所有的位線，電流將經(jīng)由將所有列連接至所選數(shù)字線及其相應(yīng)參考數(shù)字線的磁電阻元件流過(guò)所有的列并最終流過(guò)所選數(shù)字線和參考數(shù)字線，進(jìn)而接地。電流輸送器16至20將信息傳遞電流轉(zhuǎn)換成電壓Vo，由差分放大器(參見(jiàn)圖1的說(shuō)明)將Vo與Vref進(jìn)行比較。
再參看圖5和圖6，圖5和圖6分別表示如圖4所示中點(diǎn)發(fā)生器14的實(shí)施方式的立體圖和剖面圖。從這些圖可以看出，可容易地將陣列10中的四個(gè)常規(guī)形成的磁電阻元件安置到中點(diǎn)發(fā)生器14和15中。通常，將數(shù)字線沉積在第一材料層中。此時(shí)，在數(shù)據(jù)數(shù)字線的交替對(duì)(例如，DL0-DL1，DL2-DL3等)之間形成參考數(shù)字線DLref0至DLrefn。
然后在每個(gè)數(shù)據(jù)數(shù)字線上以規(guī)則間隔形成磁電阻元件(參見(jiàn)示例圖1)。在該實(shí)施例中，磁電阻元件52和53并不形成在數(shù)字線DL0上，而是通過(guò)稍稍位于數(shù)字線DL0之上的短線56將它們連接起來(lái)。而且，磁電阻元件54和55也未形成在數(shù)字線DL1上，而是通過(guò)稍稍位于數(shù)字線DL1之上的短線57將它們連接起來(lái)。
然后在另一材料層中沉積位線，以連接到磁電阻元件的上表面。例如，正如在圖5和6所看到的，沉積BLref，以連接到磁電阻元件52和55的上表面。在該實(shí)施例中，將通常與磁電阻元件53和54上表面相連的位線分成較短部分，例如，部分58，以便僅連接每個(gè)中點(diǎn)發(fā)生器14和15中的第二對(duì)磁電阻元件。此外，設(shè)置通孔59，以將部分58與參考數(shù)字線DLref0相連接。從而，在用于制造磁電阻元件陣列的正常過(guò)程僅有很小變化的情況下，中點(diǎn)發(fā)生器能夠容易地被引入。
再參照?qǐng)D7，圖7說(shuō)明中點(diǎn)發(fā)生器14的稍有不同的實(shí)施例的立體圖。在該實(shí)施例中，除在形成位線后在磁電阻元件之上形成參考數(shù)字線DLref0并且通過(guò)通孔59將其連接至部分58外，按上述構(gòu)造所有部件，從而使單元尺寸更小。數(shù)字線DLref0的位置選擇通常由制造過(guò)程的步驟來(lái)確定。
現(xiàn)參看圖8，圖8表示適用于例如如圖1所示存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的輸出電路的不同實(shí)施方式的簡(jiǎn)化示意圖。在該實(shí)施例中，連接不同的電流輸送電路60至64以分別接收每個(gè)電流I0至I3以及Iref。此外，連接四個(gè)差分放大器65至68，以在一個(gè)輸入處接收來(lái)自電流輸送電路60至63之一的輸出，在另一個(gè)輸入上接收來(lái)自電流輸送電路64的輸出。從而，將非易失性磁電阻元件的多個(gè)數(shù)據(jù)列安置在參考列附近，以將由所選電流輸送器和相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)列所生成的數(shù)據(jù)電壓與由參考電流輸送器和參考列(在該實(shí)施例中為參考列中相關(guān)聯(lián)的中點(diǎn)發(fā)生器)所生成的參考電壓進(jìn)行差分比較。如下所述，在特定應(yīng)用的最優(yōu)配置中，可對(duì)一個(gè)或多個(gè)電流輸送器以及相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)列，和一個(gè)或多個(gè)電流輸送器以及相關(guān)聯(lián)的參考列實(shí)現(xiàn)多種其他輸出連接。
現(xiàn)參看圖9，圖9表示包括有例如如圖1所示無(wú)隔離磁電阻存儲(chǔ)器陣列10的完整存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)(表示為100)的簡(jiǎn)化示意圖。在結(jié)構(gòu)100中，通過(guò)列模式選擇晶體管電路102(每個(gè)位線一個(gè)晶體管)，將位線BL0至BL3以及BLref的上端連接至雙向電流源/宿(source/sink)103。直接向與BLref相連的晶體管施加復(fù)位信號(hào)，并且連接電路102中的所有其余晶體管以接收來(lái)自O(shè)R電路(或電路)104的信號(hào)。OR電路104在一個(gè)輸入上接收復(fù)位信號(hào)，在另一個(gè)輸入上接收讀取和編程WE信號(hào)。在該實(shí)施例中，當(dāng)WE為邏輯0時(shí)，電路處在編程操作模式，當(dāng)WE為邏輯1時(shí)，電路處在讀取操作模式。
通過(guò)電流輸送器組105，將位線BL0至BL3以及BLref的相對(duì)端連接至列選擇晶體管電路106。組105中的所有電流輸送器具有加在其上的公共偏壓V1，使所有位線鉗位至相同的電壓。電路106將組105中的所選電流輸送器和相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)位線BL0至BL3連接到差分放大器110的一個(gè)輸入，并將位線BLref的參考輸出與差分放大器110的另一輸入相連。盡管此處出于簡(jiǎn)化考慮使用了差分放大器110，然而應(yīng)該理解，實(shí)際上可以使用能將信號(hào)對(duì)的某些特性進(jìn)行比較以提供所批露的功能的任何電路，且術(shù)語(yǔ)“差分放大器”意在包括所有這樣的電路。也通過(guò)編程選擇晶體管組112將位線BL0至BL3以及BLref的相對(duì)端連接至雙向電流源/宿114。通過(guò)各信號(hào)Y0p至Y3p以及Yrefp，分別啟動(dòng)組112中的每個(gè)編程選擇晶體管。
再參照?qǐng)D10，圖10表示圖9所用控制電路其他細(xì)節(jié)的示意圖。連接列譯碼電路120以接收一對(duì)多路復(fù)用信號(hào)(此處表示為A0和A1)，然后通過(guò)電路120將這些信號(hào)譯碼為列選擇信號(hào)Y0至Y3之一，以在讀取模式(WE＝1，復(fù)位0)中一次一個(gè)地操作列選擇晶體管電路106中的晶體管。在編程模式(WE＝0，復(fù)位0)期間，列譯碼電路120產(chǎn)生信號(hào)Y0p至Y3p，這些信號(hào)啟動(dòng)組112中的晶體管，且一次啟動(dòng)一個(gè)。而且，如圖10中所示，直接通過(guò)定時(shí)電路將復(fù)位信號(hào)提供作為Yrefp信號(hào)。
向列模式選擇晶體管電路102中的參考晶體管以及向組112中的Yrefp施加的復(fù)位＝1信號(hào)，將允許電流僅流過(guò)雙向電流源/宿103和114之間的位線BLref。由于在位線BLref中的電流流動(dòng)，會(huì)使中點(diǎn)發(fā)生器中所針對(duì)的磁電阻元件(例如，在中點(diǎn)發(fā)生器14中的元件52和55)到達(dá)Rmax狀態(tài)。
在編程模式期間，通過(guò)啟動(dòng)組112中的一個(gè)晶體管來(lái)選擇位線，該晶體管連接雙向電路源/宿103和114之間的所選位線。此處還應(yīng)注意，在復(fù)位期間只將參考列(在該實(shí)施例中為中點(diǎn)發(fā)生器)中的磁電阻元件編程一次，并且由于它們是諸如磁隧道結(jié)的非易失性磁電阻器件，無(wú)需再次對(duì)其編程。因此，在編程模式期間，不通過(guò)列模式選擇晶體管電路102或組112在雙向電流源/宿103和114之間連接位線BLref。
如圖9所示，通過(guò)數(shù)字線選擇電路115將數(shù)字線DL0至DL3、DLref0和DLref1的右手端與驅(qū)動(dòng)電路116相連。驅(qū)動(dòng)電路116在讀取模式期間通過(guò)陣列10提供讀取電壓，在編程模式期間提供編程電流。在編程模式期間，通過(guò)晶體管組118將數(shù)字線DL0至DL3的相對(duì)端(左手端)與地相連，而在讀取模式期間，將其斷開(kāi)。這樣，編程電流流過(guò)在驅(qū)動(dòng)器116與地之間的數(shù)字線DL0至DL3。在讀取模式期間，讀取電流流過(guò)驅(qū)動(dòng)器116和組105中的電流輸送器之間的所選數(shù)據(jù)磁電阻元件13(參見(jiàn)圖1)和相關(guān)聯(lián)的參考中點(diǎn)發(fā)生器14和15。
此處應(yīng)特別注意，在電流輸送器組105中的電流輸送器直接與位線BL0至BL3、BLref的端部相連，在列選擇晶體管電路106中的列選擇晶體管將電流輸送器的輸出連接至差分放大器110。這種特定方案允許將輸送器鉗位至相同的電壓，從而減少或消除寄生電路，以大大減小泄漏電流。
現(xiàn)參看圖11，圖11表示包括有根據(jù)本發(fā)明的無(wú)隔離磁電阻存儲(chǔ)器陣列210的另一完整存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)200的簡(jiǎn)化示意圖。在該示例中，陣列210為4×4的陣列且包括參考列212。此處應(yīng)特別注意，將均可編程至Rmax和Rmin狀態(tài)之一的多個(gè)非易失性磁電阻元件(表示為213)連接，以在其中存儲(chǔ)信息。在一端以不引入隔離器件的方式將數(shù)據(jù)列的每個(gè)非易失性磁電阻元件213直接連接到列位線BL0至BL3之一，并且在另一端直接連接到多個(gè)數(shù)字線DL0至DL3中的一個(gè)數(shù)字線。參考列212包括四個(gè)磁電阻元件213，這四個(gè)磁電阻元件213各在一端連接到參考數(shù)字線DLref0至DLref3之一，并且在另一端連接到BLref。
位線BL0至BL3以及BLref的上端通過(guò)列模式選擇晶體管電路202與雙向電流源/宿203相連。如結(jié)合圖9實(shí)施例所描述的，復(fù)位信號(hào)直接施加到與BLref相連的晶體管，并連接電路202中的所有其余晶體管，以從OR電路204接收信號(hào)。OR電路204在一個(gè)輸入上接收復(fù)位信號(hào)，并在另一個(gè)輸入上接收讀取或編程WE信號(hào)。在該實(shí)施例中，當(dāng)WE為邏輯0時(shí)，電路處在編程操作模式，當(dāng)WE為邏輯1時(shí)，電路處在讀取操作模式。位線BL0至BL3以及BLref的相對(duì)端通過(guò)電流輸送器組205與列選擇晶體管電路206相連。電路206中的晶體管將所選電流輸送器和相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)位線BL0至BL3連接至差分放大器220的一個(gè)輸入，并且將參考電流輸送器的參考輸出和相關(guān)聯(lián)的位線BLref連接至差分放大器220的另一個(gè)輸入。
編程選擇晶體管組212連接在位線BL0至BL3以及BLref與雙向電流源/宿214之間。在編程模式期間，通過(guò)啟動(dòng)組212中的一個(gè)連接雙向電流源/宿203和214之間的所選位線的晶體管來(lái)選擇位線。此處還應(yīng)注意，在復(fù)位期間只將參考列(在該實(shí)施例中為中點(diǎn)發(fā)生器)中的磁電阻元件編程一次，并且因?yàn)樗鼈兪侵T如磁隧道結(jié)的非易失性磁電阻器件，從而無(wú)需再次對(duì)其編程。因此，在編程模式期間不通過(guò)列模式選擇晶體管電路202中的晶體管連接位線BLref。
如圖11所示，通過(guò)數(shù)字線選擇電路215將數(shù)字線DL0至DL3、DLref0和DLref1的右手端與驅(qū)動(dòng)電路216相連。驅(qū)動(dòng)電路216在讀取模式期間通過(guò)陣列210提供讀取電壓，在編程模式期間提供編程電流。在編程模式期間，通過(guò)晶體管組218將數(shù)字線DL0至DL3的相對(duì)端(左手端)與地相連，而在讀取模式期間，將其斷開(kāi)。這樣，編程電流流過(guò)在驅(qū)動(dòng)器216與地之間的數(shù)字線DL0至DL3。在讀取模式期間，讀取電流流過(guò)在驅(qū)動(dòng)器216和組205中的電流輸送器之間的所選數(shù)據(jù)磁電阻元件213和相關(guān)聯(lián)的參考磁電阻元件213。
從而，披露了一種其中提供有磁電阻元件參考列的、無(wú)隔離器件的磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。參考列磁電阻器件與分立的數(shù)字線相連，這導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)中有更高數(shù)量的數(shù)字線，從而導(dǎo)致更高數(shù)量的數(shù)字線選擇電路。除參考電流輸送器接收不同于數(shù)據(jù)參考輸送器(V1)的偏壓(Vr)外，可按如圖9電路中所述使用相同的讀取電路，包括電流輸送器和差分放大器。以此方式，可調(diào)節(jié)Vr，使得輸出信號(hào)V0ref處在Vmax和Vmin之間的中點(diǎn)處，其中，Vmax和Vmin分別為數(shù)據(jù)最大和最小的電流輸送器輸出。
組205中的數(shù)據(jù)電流輸送器在通往位線方向觀察到相同的阻抗，使得它們都向數(shù)據(jù)位線施加相等的鉗位電壓，相等的鉗位電壓使數(shù)據(jù)位線之間的泄漏最小化，從而不需要隔離器件。顯然，不同的鉗位電壓會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)位線和參考位線之間的阻抗差異，但它們通過(guò)不同的數(shù)字線彼此隔離，從而在它們之間沒(méi)有泄漏。應(yīng)該理解，依據(jù)所用參考列的數(shù)量，會(huì)有任何數(shù)量的參考線。
此處再次需要特別注意，電流輸送器組205中的電流輸送器與位線BL0至BL3以及BLref的端部直接相連，列選擇晶體管電路206中的列選擇晶體管將電流輸送器的輸出連接至差分放大器220。這種特定方案允許將所有數(shù)據(jù)電流輸送器鉗位至相同的電壓，這將減少或消除數(shù)據(jù)電流輸送器之間的寄生電路，以大大減小泄漏電流。
現(xiàn)參看圖12，圖12表示包括有根據(jù)本發(fā)明的無(wú)隔離器件磁電阻存儲(chǔ)器陣列310的另一完整存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)300的簡(jiǎn)化示意圖。在該示例中，陣列310包括連接在第一數(shù)據(jù)列314中的磁電阻元件313的規(guī)則陣列，其中具有均可編程至Rmax和Rmin狀態(tài)之一的非易失性磁電阻元件，和交替的第二數(shù)據(jù)列315，第二數(shù)據(jù)列315中的元件均可被相反地編程至Rmin和Rmax狀態(tài)之一。第一數(shù)據(jù)列314中的每個(gè)非易失性磁電阻元件313以不引入隔離器件的方式在一端直接連接到列位線BL0至BL3之一，并且在另一端直接連接到多個(gè)數(shù)字線DL0至DL3中的一個(gè)數(shù)字線。第二數(shù)據(jù)列315中的每個(gè)非易失性磁電阻元件313以不引入隔離器件的方式在一端直接連接到列位線BL0p至BL3p之一，并且在另一端直接連接到多個(gè)數(shù)字線DL0至DL3中的一個(gè)數(shù)字線。
位線BL0至BL3的上端通過(guò)列模式選擇晶體管電路302與第一雙向電流源/宿303相連。位線BL0p至BL3p的上端通過(guò)列模式選擇晶體管電路302與第二雙向電流源/宿304相連。啟動(dòng)雙向電流源/宿303和304，使列314和315中存儲(chǔ)相反的數(shù)據(jù)。連接電路302中的所有晶體管，使其被讀出或編程(WE)信號(hào)啟動(dòng)。在該實(shí)施例中，當(dāng)WE為邏輯0時(shí)，電路處在編程操作模式，當(dāng)WE為邏輯1時(shí)，電路處在讀取操作模式。
通過(guò)電流輸送器組305，將位線BL0至BL3以及BL0p至BL3p的相對(duì)端連接至列選擇晶體管電路306。電路306將組305中的所選電流輸送器及其相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)位線BL0至BL3與差分放大器320的一個(gè)輸入相連，并且將組305中的相鄰電流輸送器及其相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)位線BL0p至BL3p與差分放大器320的另一輸入相連。從而，將在組305中的所選電流輸送器中產(chǎn)生的電壓(通過(guò)與位線BL0至BL3相連的所選磁電阻元件313產(chǎn)生)與在組305中的相鄰或相關(guān)聯(lián)的電流輸送器中產(chǎn)生的電壓(通過(guò)與位線BL0p至BL3p相連的所選磁電阻元件313產(chǎn)生)相比較。與兩個(gè)相鄰位線相連的電流輸送器具有相同的偏置/鉗位電壓(V1)，從而，使所有數(shù)據(jù)線鉗位至相同的電壓。
此處應(yīng)再次特別注意，電流輸送器組305中的電流輸送器直接與位線BL0至BL3、BL0p至BL3p的端部相連，并且列選擇晶體管電路306中的列選擇晶體管將電流輸送器的輸出連接至差分放大器320。這種特定方案允許將與位線BL0至BL3相關(guān)聯(lián)的所有數(shù)據(jù)電流輸送器鉗位至相同的電壓，以及將與位線BL0p至BL3p相關(guān)聯(lián)的所有數(shù)據(jù)電流輸送器鉗位至相同的電壓，這將減少或消除在數(shù)據(jù)電流輸送器之間的寄生電路，以大大減小泄漏電流。
分別在位線BL0至BL3和BL0p至BL3p之間，以及雙向電流源/宿313和314之間連接由編程選擇晶體管對(duì)構(gòu)成的組312。組312中的晶體管將每個(gè)位線BL0至BL3及其相鄰或相關(guān)聯(lián)的位線BL0p至BL3p與一對(duì)雙向電流源/宿313和314相連。在編程模式期間，通過(guò)同時(shí)啟動(dòng)組312中的一對(duì)晶體管來(lái)選擇一對(duì)位線。包括與圖10中所示相似的控制或復(fù)用電路以提供列選擇信號(hào)。
如圖12中所示，通過(guò)數(shù)字線選擇電路317將數(shù)字線DL0至DL3的右手端與驅(qū)動(dòng)電路316相連。驅(qū)動(dòng)電路316在讀取模式期間通過(guò)陣列310提供讀取電壓，在編程模式期間提供編程電流。在編程模式期間，通過(guò)晶體管組318將數(shù)字線DL0至DL3的相對(duì)端(左手端)與地相連，而在讀取模式期間，將其斷開(kāi)。這樣，編程電流流過(guò)在驅(qū)動(dòng)器316和地之間的數(shù)字線DL0至DL3。在讀取模式期間，讀取電流流過(guò)在驅(qū)動(dòng)器316和組305中電流輸送器之間的所選對(duì)的數(shù)據(jù)磁電阻元件313。
由于自差分放大器320的輸出信號(hào)由一對(duì)相反狀態(tài)的數(shù)字信號(hào)(處在相反狀態(tài)的兩個(gè)磁電阻元件)產(chǎn)生，最終的輸出信號(hào)是單個(gè)磁電阻元件所產(chǎn)生的輸出信號(hào)的二倍。從而，以使磁電阻元件陣列尺寸加倍為代價(jià)，該實(shí)施例的讀取訪問(wèn)速度更快，雖然通常仍能使該陣列比有隔離器件的陣列制造得更小。
由此，披露了無(wú)隔離器件的磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的若干實(shí)施例。對(duì)于在參考列中使用中點(diǎn)發(fā)生器的實(shí)施例，參考列通常由n/2個(gè)中點(diǎn)發(fā)生器單元制成，其中，n為每個(gè)數(shù)據(jù)列中的存儲(chǔ)單元的數(shù)量。此外，每個(gè)參考列中的中點(diǎn)發(fā)生器的布置使得每個(gè)中點(diǎn)發(fā)生器占據(jù)由四個(gè)磁電阻元件所占的面積。
在所有多種實(shí)施例中，通常在單個(gè)襯底(例如，半導(dǎo)體芯片等)上制造存儲(chǔ)器，按規(guī)則模式以行列形式設(shè)置磁電阻元件。此外，多個(gè)數(shù)據(jù)列的磁電阻元件和多個(gè)參考或相關(guān)聯(lián)的列的磁電阻元件通常相似。對(duì)于多種實(shí)施例中的參考列，包括具有中點(diǎn)發(fā)生器的參考列，一個(gè)非常重要的方面在于其電容性地非常接近相鄰數(shù)據(jù)列。從而，數(shù)據(jù)和參考列中的所有時(shí)變信號(hào)非常緊密地跟隨，導(dǎo)致高速的讀出處理。因此，所披露和描述的無(wú)隔離器件的新型及改進(jìn)型MRAM結(jié)構(gòu)，大大改善了制造和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的尺寸。
盡管在此顯示和描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想出其他修改和改進(jìn)。因此，應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于所示的具體形式，而是由所附權(quán)利要求包括在不偏離本發(fā)明精神和范圍條件下的所有修改。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)隔離器件的磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)數(shù)據(jù)列，每個(gè)數(shù)據(jù)列包括相關(guān)聯(lián)的列位線，和多個(gè)間隔的數(shù)字線；所述多個(gè)數(shù)據(jù)列均包括所連接的第一多個(gè)非易失性磁電阻元件，其均可編程至Rmax和Rmin狀態(tài)之一以在其中存儲(chǔ)信息，每個(gè)數(shù)據(jù)列中的第一多個(gè)非易失性磁電阻元件均在一端與相關(guān)聯(lián)的列位線相連，并且在另一端與多個(gè)數(shù)字線中的數(shù)字線相連；參考列，包括位于數(shù)據(jù)列附近的第二多個(gè)非易失性磁電阻元件，參考列具有與第二多個(gè)非易失性磁電阻元件相連的相關(guān)聯(lián)的參考位線；多個(gè)數(shù)據(jù)電流輸送電路，每個(gè)數(shù)據(jù)電流輸送電路與每個(gè)相關(guān)聯(lián)的列位線相連，每個(gè)數(shù)據(jù)電流輸送電路具有輸出終端；參考電流輸送電路，其與參考位線相連，且具有輸出終端；差分放大器，具有第一和第二輸入；和選擇電路，其將多個(gè)數(shù)據(jù)電流輸送電路中的選定數(shù)據(jù)電流輸送電路的輸出終端連接至差分放大器的第一輸入，并將參考電流輸送電路的輸出終端連接至差分放大器的第二輸入，以便將由多個(gè)數(shù)據(jù)電流輸送電路中的選定數(shù)據(jù)電流輸送電路產(chǎn)生的數(shù)據(jù)電壓與由參考電流輸送電路產(chǎn)生的參考電壓進(jìn)行差分比較，并提供數(shù)據(jù)輸出信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的無(wú)隔離器件的磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其中，數(shù)據(jù)列的每個(gè)非易失性磁電阻元件包括磁隧道結(jié)。
3.如權(quán)利要求1所述的無(wú)隔離器件的磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其中，參考列包括位于數(shù)據(jù)列附近的中點(diǎn)發(fā)生器，該中點(diǎn)發(fā)生器包括多個(gè)非易失性磁電阻元件，每個(gè)非易失性磁電阻元件具有Rmax狀態(tài)和Rmin狀態(tài)，并且均被設(shè)置到Rmax和Rmin之一，該多個(gè)非易失性磁電阻元件連接在一起以提供介于Rmax和Rmin之間的中點(diǎn)電阻的總電阻。
4.如權(quán)利要求1所述的無(wú)隔離器件的磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，還包括第二多個(gè)間隔的數(shù)字線，第二多個(gè)非易失性磁電阻元件中的每個(gè)非易失性磁電阻元件在一端與相關(guān)聯(lián)的參考位線相連，在另一端與第二多個(gè)數(shù)字線中的數(shù)字線相連。
5.如權(quán)利要求1所述的無(wú)隔離器件的磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，還包括多個(gè)參考列，每個(gè)參考列包括相關(guān)聯(lián)的參考位線和與其相連的第二多個(gè)非易失性磁電阻元件，多個(gè)參考列的每個(gè)參考列與多個(gè)數(shù)據(jù)列中相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)列形成相對(duì)對(duì)，選擇電路將選定相對(duì)對(duì)與差分放大器連接。
6.如權(quán)利要求1所述的無(wú)隔離器件的磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其中，將多個(gè)數(shù)據(jù)列和參考列鉗位至共同的電壓。
7.一種無(wú)隔離器件的磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，包括限定數(shù)據(jù)列的列位線和多個(gè)間隔的數(shù)字線；所述數(shù)據(jù)列，包括所連接的多個(gè)非易失性磁電阻元件，每個(gè)非易失性磁電阻元件均可編程至Rmax和Rmin狀態(tài)之一以在其中存儲(chǔ)信息，數(shù)據(jù)列中的非易失性磁電阻元件均在一端與列位線相連，并且在另一端與多個(gè)數(shù)字線中的數(shù)字線相連；參考列，包括位于數(shù)據(jù)列附近的中點(diǎn)發(fā)生器，中點(diǎn)發(fā)生器包括多個(gè)非易失性磁電阻元件，每個(gè)非易失性磁電阻元件均具有Rmax狀態(tài)和Rmin狀態(tài)，并且均被設(shè)置到Rmax和Rmin之一，所述多個(gè)非易失性磁電阻元件連接在一起以提供介于Rmax和Rmin之間的中點(diǎn)電阻的總電阻；數(shù)據(jù)電流輸送電路，其與相關(guān)聯(lián)的列位線相連，且具有輸出終端；參考電流輸送電路，其與參考位線相連，且具有輸出終端；差分放大器，其具有第一和第二輸入；和選擇電路，其將數(shù)據(jù)電流輸送電路的輸出終端連接至差分放大器的第一輸入，并將參考電流輸送電路的輸出終端連接至差分放大器的第二輸入，以便將由數(shù)據(jù)電流輸送電路產(chǎn)生的數(shù)據(jù)電壓與由參考電流輸送電路產(chǎn)生的參考電壓進(jìn)行差分比較，并提供數(shù)據(jù)輸出信號(hào)。
8.一種無(wú)隔離器件的磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)數(shù)據(jù)列，每個(gè)數(shù)據(jù)列包括相關(guān)聯(lián)的列位線，和第一多個(gè)間隔的數(shù)字線；所述多個(gè)數(shù)據(jù)列均包括所連接的第一多個(gè)非易失性磁電阻元件，每個(gè)非易失性磁電阻元件均可編程至Rmax和Rmin狀態(tài)之一以在其中存儲(chǔ)信息，每個(gè)數(shù)據(jù)列中的第一多個(gè)非易失性磁電阻元件均在一端與相關(guān)聯(lián)的列位線相連，并且在另一端與第一多個(gè)數(shù)字線中的數(shù)字線相連；參考列，包括位于多個(gè)數(shù)據(jù)列附近的第二多個(gè)非易失性磁電阻元件，參考列具有相關(guān)聯(lián)的參考位線和第二多個(gè)間隔的數(shù)字線，參考列中的第二多個(gè)非易失性磁電阻元件均在一端與相關(guān)聯(lián)的參考位線相連，并且在另一端與第二多個(gè)數(shù)字線中的數(shù)字線相連，第二多個(gè)間隔的數(shù)字線與第二多個(gè)間隔的數(shù)字線電氣分離；多個(gè)數(shù)據(jù)電流輸送電路，每個(gè)數(shù)據(jù)電流輸送電路與每個(gè)相關(guān)聯(lián)的列位線相連，每個(gè)數(shù)據(jù)電流輸送電路均具有輸出終端；參考電流輸送電路，其與相關(guān)聯(lián)的參考位線相連，且具有輸出終端；差分放大器，其具有第一和第二輸入；和選擇電路，其將多個(gè)數(shù)據(jù)電流輸送電路中的選定數(shù)據(jù)電流輸送電路的輸出終端連接至差分放大器的第一輸入，并將參考電流輸送電路的輸出終端連接至差分放大器的第二輸入，以便將由多個(gè)數(shù)據(jù)電流輸送電路中的選定數(shù)據(jù)電流輸送電路產(chǎn)生的數(shù)據(jù)電壓與由參考電流輸送電路產(chǎn)生的參考電壓進(jìn)行差分比較，并提供數(shù)據(jù)輸出信號(hào)。
9.一種無(wú)隔離器件的磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)間隔的數(shù)字線；多個(gè)數(shù)據(jù)列，每個(gè)數(shù)據(jù)列包括相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)位線，多個(gè)數(shù)據(jù)列中的每個(gè)數(shù)據(jù)列包括所連接的第一多個(gè)非易失性磁電阻元件，每個(gè)非易失性磁電阻元件均可編程至Rmax和Rmin狀態(tài)之一以在其中存儲(chǔ)信息，每個(gè)數(shù)據(jù)列中的第一多個(gè)非易失性磁電阻元件均在一端與相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)位線相連，并且在另一端與多個(gè)數(shù)字線中的數(shù)字線相連；多個(gè)參考列，每個(gè)參考列包括相關(guān)聯(lián)的參考位線和與之相連的第二多個(gè)非易失性磁電阻元件，多個(gè)參考列的每個(gè)參考列與多個(gè)數(shù)據(jù)列中相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)列形成相對(duì)對(duì)，相關(guān)聯(lián)的參考位線與相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)位線電氣分離；多個(gè)數(shù)據(jù)電流輸送電路，每個(gè)數(shù)據(jù)電流輸送電路與每個(gè)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)位線相連，每個(gè)數(shù)據(jù)電流輸送電路具有輸出終端；多個(gè)參考電流輸送電路，每個(gè)參考電流輸送電路與每個(gè)相關(guān)聯(lián)的參考位線相連，每個(gè)參考電流輸送電路具有輸出終端；差分放大器，其具有第一和第二輸入；和選擇電路，用于選擇包括選定數(shù)據(jù)電流輸送電路和選定參考電流輸送電路的相對(duì)對(duì)，選擇電路將選定數(shù)據(jù)電流輸送電路的輸出終端連接至差分放大器的第一輸入，并將選定參考電流輸送電路的輸出終端連接至差分放大器的第二輸入，以便將由選定數(shù)據(jù)電流輸送電路產(chǎn)生的數(shù)據(jù)電壓與由選定參考電流輸送電路產(chǎn)生的參考電壓進(jìn)行差分比較，并提供數(shù)據(jù)輸出信號(hào)。
全文摘要
一種無(wú)隔離器件的磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)(10)，包括非易失性磁電阻元件的多個(gè)數(shù)據(jù)列。參考列(12)包括設(shè)置在數(shù)據(jù)列附近的非易失性磁電阻元件。每個(gè)列與電流輸送器(16－20)相連。所選數(shù)據(jù)電流輸送器和參考電流輸送器(20)與差分放大器(65－68)的輸入相連，以便將數(shù)據(jù)電壓與參考電壓進(jìn)行差分比較。電流輸送器與數(shù)據(jù)和參考位線的端部直接相連。這種特別設(shè)置允許將電流輸送器鉗位至相同的電壓，這將減少或消除寄生電路，以大大減小泄漏電流。
文檔編號(hào)H01L21/8246GK1620697SQ03802403
公開(kāi)日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2003年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月18日
發(fā)明者彼德·K·納吉, 馬克·A·杜蘭姆, 賽德·N·特蘭尼 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司