專利名稱：磁存儲器件、寫入磁存儲器件的方法和從磁存儲器件讀出的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用磁膜存儲元件布置的磁存儲器件、在這種磁存儲器件上寫入的方法和從這種磁存儲器件上讀出的方法。
背景技術(shù)：
至今使用易失存儲器如DRAM(動態(tài)隨機(jī)存取存儲器)和SRAM(靜態(tài)RAM)作為用于信息處理設(shè)備如計算機(jī)和移動通信工具的通用存儲器。除非一直給易失存儲器提供電流，否則在這種易失存儲器中的所有信息都將丟失。因此有必要提供一種存儲信息的裝置，即非易失存儲器，例如快速EEPROM和硬盤裝置。具有更高速度的信息處理的這種非易失存儲器的訪問速度的提高成為主要問題。而且，隨著便攜式信息設(shè)備的更快的普及和更高的性能，著眼于所謂隨處計算即著眼于可以隨時隨地處理信息的信息設(shè)備已經(jīng)快速發(fā)展了。作為這種設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵器件，迫切要求發(fā)展高速非易失存儲器。
眾所周知MRAM(磁隨機(jī)存取存儲器)是提高非易失存儲器速度的有效技術(shù)。MRAM包括以矩陣形式排列的存儲單元，每個存儲單元由包括兩個鐵磁層的磁性元件構(gòu)成。在每個存儲單元中，采用以下方法存儲信息對應(yīng)于二元信息“0”或“1”，使所述元件的鐵磁層的磁化方向相對于其易磁化軸成平行狀態(tài)(在相同方向)或逆平行狀態(tài)(在相反方向)。鐵磁層的磁化方向平行時磁性元件的電阻值與逆平行時的不一樣。因此，可以通過檢測與電流或電壓變化的信息相對應(yīng)的電阻差值來從存儲單元讀取信息。由于基于這種原理運(yùn)行，所以為了穩(wěn)定地寫入/讀出，必須使MRAM中電阻的變化率盡量高。
實際應(yīng)用中的MRAM普遍使用GMR(巨磁阻)。GMR是這樣一種現(xiàn)象當(dāng)設(shè)置成具有平行的易磁化軸的兩個磁性層的磁化方向沿著所述易磁化軸平行時、電阻值最小化，而當(dāng)兩個磁性層的磁化方向逆平行時，電阻值最大化。例如，U.S.專利5343422公開的技術(shù)就是利用GMR元件的MRAM(此后簡稱“GMR-MRAM”)。
GMR-MRAM包括偽自旋閥型和自旋閥型。在偽自旋閥型MRAM中，每個GMR元件由兩個鐵磁層和夾在其間的非磁性層的疊層結(jié)構(gòu)制成，利用兩個鐵磁層之間的矯頑力的差別寫入/讀出信息。另一方面，在自旋閥型MRAM中，兩個鐵磁層包括具有固定的磁化方向的固定層和磁化方向按照外磁場變化的自由層。在非鐵磁層夾在固定層和反鐵磁層之間的狀態(tài)下固定層反鐵磁性地與反鐵磁層相連、使得固定層的磁化被穩(wěn)定地固定了。關(guān)于所述類型GMR元件的磁阻變化率，具有(NiFe/Cu/Co)疊層結(jié)構(gòu)的偽自旋閥型元件約6-8％，具有(PtMn/CoFe/Cu/CoFe)結(jié)構(gòu)的自旋閥型元件約10％。由于這個緣故，得不到利用電阻的差別作為電流或電壓的差別的有效的讀出輸出，可以認(rèn)為很難提高存儲容量或訪問速度。
關(guān)于這一點，使用TMR(隧道磁阻)的MRAM(此后簡稱為“TMR-MRAM”)可以大幅度提高電阻變化率。TMR是這樣一種現(xiàn)象在疊層結(jié)構(gòu)中超薄絕緣層中流動的隧道電流按照各磁化方向彼此之間的相對角度變化，在所述疊層結(jié)構(gòu)中，超薄絕緣層夾在兩個鐵磁層(具有固定的磁化方向的固定層和具有可變磁化方向的磁敏層、即自由層)之間。即，磁化方向彼此平行時，隧道電流最大化(單元電阻值最小化)，磁化方向逆平行時，隧道電流最小化(單元電阻值最大化)。例如，稱為TMR元件的CoFe/氧化鋁/CoFe的疊層結(jié)構(gòu)中的電阻變化率達(dá)到40％或更高。
另外，當(dāng)TMR元件與半導(dǎo)體器件如MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)結(jié)合時，可以認(rèn)為很容易使他們彼此匹配，因為TMR具有高電阻。由于這種優(yōu)點，TMR-MRAM比GMR-MRAM更容易提高其輸出并可以期望具有更高的存儲容量和更高的訪問速度。在TMR-MRAM方面，其技術(shù)已在美國專利No.5629922和日本特許公報9-91949/(1997)中公開。
為寫入信息，TMR-MRAM采用這樣的系統(tǒng)，即，利用由流過導(dǎo)體的電流感生的電流磁場來改變鐵磁層的磁化方向。因此，按照鐵磁層之間的相對的磁化方向(平行或逆平行)來存儲二元信息。為了讀出所存儲的信息，TMR-MRAM采用這樣的系統(tǒng)，即，在垂直于層表面的方向?qū)^緣層施加電流，并且檢測隧道電流值或隧穿電阻值。這樣，鐵磁層之間相對磁化方向(平行或逆平行)的差別表現(xiàn)為輸出電流值或單元電阻值的差別。
在單元陣列結(jié)構(gòu)方面，已經(jīng)提出一種結(jié)構(gòu)，其中，在數(shù)據(jù)線上并聯(lián)多個TMR元件，然后，與每個TMR元件相應(yīng)地設(shè)置選擇半導(dǎo)體元件，或者另外一種結(jié)構(gòu)，其中，為每個這樣的數(shù)據(jù)線設(shè)置這樣的半導(dǎo)體器件?？梢岳脰艠O和漏極之間短路的MOSFET或FET、PN結(jié)二極管、肖特基二極管等構(gòu)成的二極管作為所述半導(dǎo)體器件。而且，還提出一種結(jié)構(gòu)，其中，TMR元件設(shè)置在行數(shù)據(jù)線和列數(shù)據(jù)線的矩陣中，為每個數(shù)據(jù)線設(shè)置選擇晶體管。
在那些結(jié)構(gòu)中，從讀出耗電的效率上看，為每個TMR元件設(shè)置選擇半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)異的特性。但是，當(dāng)半導(dǎo)體器件的特性有差異時，由這種差異引起的噪音不可忽略。而且，如果再考慮與數(shù)據(jù)線相關(guān)的噪音、由于讀出放大器的特性差異引起的噪音和由于電源電路反饋引起的外圍電路中產(chǎn)生的噪音，就有可能使來自存儲單元的輸出電壓的信噪比只能達(dá)到約幾個dB。
因此，為了提高讀出輸出的信噪比，如下改善TMR-MRAM的單元陣列。
通常采用基于對通過將所選存儲單元的輸出電壓V與標(biāo)準(zhǔn)電壓Vref對比得到的差分電壓Vsig進(jìn)行差分放大的方法。差分放大首先趨向于消除連接存儲單元的一對數(shù)據(jù)線中產(chǎn)生的噪音，其次消除了用于驅(qū)動讀出線或用于選擇單元的半導(dǎo)體器件中的特征差異引起的輸出電壓偏移。但是，用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓Vref的電路是通過使用虛擬單元或半導(dǎo)體器件的電路來實現(xiàn)的，由于所述電路和存儲單元之間器件特性有差異，因而理論上不可能完全排除輸出電壓的偏移。
廣泛地采用一種方法來解決此問題，所述方法是每個存儲單元由一對TMR元件形成，放大來自所述一對元件的差分輸出。在所述方法中，這樣進(jìn)行寫入、使得所述成對的TMR元件中的每一個的磁敏層的磁化方向總是與另外一個逆平行。即，執(zhí)行互補(bǔ)寫入、使得在所述元件之一中磁敏層的磁化方向平行于固定層的磁化方向，而在另一個元件中兩層的磁化方向彼此逆平行。然后，放大兩個元件的差分輸出并將其讀出。因此，排除了普通方式的噪音，提高了信噪比。這種差分放大型電路的配置在日本特許公報2001-236781、日本特許公報2001-266567或2000國際固體電路會議(ISSCC)文摘TA7.2中公開。
經(jīng)過更詳細(xì)的例子，在專利文件JP-2001-236781和JP-2001-266567中公開的所述技術(shù)中，組成存儲單元的第一和第二TMR元件的一端分別連接到一對第一和第二數(shù)據(jù)線，而另一端通過同一個單元選擇半導(dǎo)體器件連接到位線。字線連接到單元選擇半導(dǎo)體器件。為了讀出信息，提供位線與第一和第二數(shù)據(jù)線中每一個之間的電位差，同時第一數(shù)據(jù)線的電位和第二數(shù)據(jù)線的電位保持相同。這樣，將第一和第二數(shù)據(jù)線之間電流流率的差分值設(shè)定為輸出信號。
但是，通常在這種差分放大系統(tǒng)中，成對的TMR元件之間電阻值的差異就成了問題。在制造過程中產(chǎn)生TMR元件之間電阻的差異，電阻差異引起的電流誤差不可避免。結(jié)果，不可避免地?fù)p害輸出信號的信噪比。
在寫入結(jié)構(gòu)中，大量TMR元件連接到第一和第二數(shù)據(jù)線，而單元選擇半導(dǎo)體器件連接到對應(yīng)于排列在位線陣列方向上的單元的數(shù)量的第三位線，這樣形成存儲單元的矩陣。因此，為了得到穩(wěn)定的讀出信號輸出，有必要充分地抑制連接到每個數(shù)據(jù)線的TMR元件中的電阻變化并且充分地抑制連接到同一個位線的選擇半導(dǎo)體器件中的特性變化。但是，沒有設(shè)計出向第一和第二數(shù)據(jù)線提供相等電位的電壓差以便能夠從根本上抑制那些變化的讀出方法。因此，存在這樣的問題，即，很難采取徹底的措施來對付由這種變化產(chǎn)生的噪音。
因此，盡管提出了一個又一個的方法，但是在現(xiàn)有技術(shù)的MRAM中無法充分地提高讀出信號的信噪比。結(jié)果，事實上，通過電阻變化率達(dá)到約40％的TMR元件得不到足夠的輸出電壓。即，當(dāng)按照原樣使用目前的存儲結(jié)構(gòu)時，不僅具有運(yùn)行穩(wěn)定性如讀出精度的問題，而且估計無法令人滿意地支持更高密度的存儲器。
附帶指出，如上所述，盡管對于從TMR-MRAM讀出的方法或讀出電路的配置已經(jīng)采用了很多措施，但至今TMR元件的結(jié)構(gòu)本身還沒有得到顯著的改善。

發(fā)明內(nèi)容
針對這些問題研制了本發(fā)明。本發(fā)明的一個目的是提供一種磁存儲器件和可以得到高信噪比的讀出信號輸出的磁存儲器件讀出方法、以及用于開辟以高信噪比讀出信息的途徑的磁存儲器件寫入方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的磁存儲器件包括多個第一寫入線；多個第二寫入線，它們延伸而分別與多個第一寫入線交叉；和多個磁阻元件，每個磁阻元件包括疊層結(jié)構(gòu)和環(huán)形磁性層，所述疊層結(jié)構(gòu)包括其磁化方向按照外磁場變化的磁敏層并適合于讓電流在垂直于所述疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的方向流動，所述環(huán)形磁性層這樣設(shè)置在疊層結(jié)構(gòu)的一個表面上、使得所述環(huán)形磁性層具有沿著層疊的表面的軸線方向并且適合于被所述第一和第二寫入線穿過；其中，每個存儲單元包括一對所述磁阻元件。
此處“外部磁場”是指由流過第一和第二寫入線的電流產(chǎn)生的磁場或在環(huán)形磁性層中產(chǎn)生的環(huán)形磁場。另外，“環(huán)形磁性層”的“環(huán)形”表示這樣的狀態(tài)所述層以磁的和電的形式連續(xù)地完全包圍所述線并且至少從穿過所述層內(nèi)部的第一和第二寫入線看所述層時，在與所述第一和第二寫入線交叉的方向上所述層的截面是封閉的。因此，只要環(huán)形磁性層在磁性上和電氣上是連續(xù)的，就可以在所述環(huán)形磁性層中包含絕緣體。不用說，環(huán)形磁性層可以包含制造過程中產(chǎn)生的氧化膜?！拜S向”表示當(dāng)僅僅注意環(huán)形磁性層時的通路方向，即，穿過環(huán)形磁性層內(nèi)部的第一和第二寫入線的延伸方向。另外，短語“布置在疊層結(jié)構(gòu)的一個表面上”不僅包括環(huán)形磁性層與疊層結(jié)構(gòu)分離地布置在疊層結(jié)構(gòu)的一個表面上的情況還包括環(huán)形磁性層布置成包括所述疊層結(jié)構(gòu)的一部分的情況。
在此磁存儲器件中，用可以彼此獨(dú)立地存儲一個單元信息的兩個磁阻元件存儲一個單元信息。而且，每個磁阻元件由流入第一和第二寫入線的電流在其環(huán)形磁性層中形成閉合磁路。因此，磁敏層的磁化被有效地逆轉(zhuǎn)。
在所述磁存儲器件中，最好磁敏層和環(huán)形磁性層電連接。這樣，沿著垂直于疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的方向流動的電流可以從磁敏層流到環(huán)形磁性層。
另外，在所述磁存儲器件中，所述一對磁阻元件中磁敏層的磁化方向最好由于由分別流經(jīng)穿過環(huán)形磁性層的第一和第二寫入線的電流產(chǎn)生的磁場而變成彼此逆平行。本發(fā)明中“磁化方向彼此逆平行”不僅包括磁化方向的彼此的夾角、即、在磁性層中平均磁化方向的彼此的夾角是嚴(yán)格的180度的情況，還包括由于制造中產(chǎn)生的誤差、未能形成理想的單一軸而出現(xiàn)的誤差等引起的磁化方向的彼此的夾角稍微偏離180度的情況。而且，“信息”通常指在輸入到磁存儲器件的輸入信號/從磁存儲器件輸出的信號中利用電流值或電壓值等由“0”和“1”、“高”和“低”表示的二元信息。
在所述磁存儲器件中，以一對磁阻元件中的磁敏層的磁化方向彼此逆平行的狀態(tài)來存儲信息。
更具體地說，希望使存儲單元處于第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之一，其中第一狀態(tài)是所述一對磁阻元件中的一對磁敏層中的一個磁敏層在第一方向上磁化而另外一個則在與第一方向逆平行的第二方向上磁化，而第二狀態(tài)是所述一對磁敏層中的一個磁敏層在所述第二方向上磁化而另外一個在所述第一方向上磁化，因而根據(jù)所述第一或第二狀態(tài)在所述存儲單元中存儲信息。這樣，所述成對的磁阻元件中的磁敏層的磁化可以有兩種狀態(tài)，面對面或背靠背。二元信息相應(yīng)于這兩種狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的磁存儲器件還包括一對第一讀出線，它們分別連接到所述一對磁阻元件并且向磁阻元件提供讀出電流；其中，根據(jù)流入每個疊層結(jié)構(gòu)的電流從存儲單元中讀取信息。附帶指出，根據(jù)本發(fā)明的磁存儲器件中的詞“連接到”不是只表示物理上的直接連接這種情況、而且表示至少是電氣上的連接狀態(tài)。
在所述磁存儲器件中，利用以下現(xiàn)象來讀取信息在垂直于其層表面的方向上分別加到所述成對的磁阻元件的磁敏層的層表面的電流之間電流值的差值按照所述各磁敏層彼此之間的相對的磁化方向而出現(xiàn)。
為了讀取信息，最好根據(jù)分別從所述一對讀出線流向所述一對磁阻元件的一對讀出電流值之間的差值從存儲單元讀出信息。這樣，由于差分地輸出讀出電流，故排除了在每個第一讀出線中或包含在每個磁阻元件的輸出值中的任何偏移成分中產(chǎn)生的噪音。
另外，在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的磁存儲器件中，所述磁存儲器件最好還包括設(shè)置在輸送到所述一對磁阻元件的讀出電流的電流通路上的整流元件；以及用于將流過所述一對磁阻元件的讀出電流引入到地線的第二讀出線。本發(fā)明中的“整流元件”是指用于只允許電流單向流過而阻止反向電流的元件。此外，“電流通路”是指讀出電流流入磁阻元件、穿過磁阻元件和從其中流出的整個通路。整流元件具有只允許電流在前述電流通路上以接地方向(在第二讀出線端)流動的整流作用。通過整流元件，可以防止任何電流從連接到待讀取的存儲單元共用的第二讀出線的另一個存儲單元分流到待讀取的每個存儲單元。
另外，最好在分別輸送到所述一對磁阻元件的讀出電流的電流通路上設(shè)置一對整流元件。在這種情況下，避免了電流在待讀取的存儲單元中從一個磁阻元件流向另一個元件并且流向第一讀出線。所述一對整流元件可以分別設(shè)置在所述一對第一讀出線和所述一對磁阻元件之間、或者可以分別設(shè)置在所述一對磁阻元件和所述一對第二讀出線之間。最好用肖特基二極管、PN結(jié)二極管、雙極晶體管和MOS晶體管作為整流元件。
另外，在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的磁存儲器件中，所述磁存儲器件最好還包括具有電流調(diào)節(jié)功能的恒流電路，用于調(diào)節(jié)流過每個存儲單元的一對磁阻元件的讀出電流的總量。通過恒流電路，即使讀出電流很微弱，也控制讀出電流使其以讀出電流的總量恒定的形式流動。而且，在每個存儲單元中成對的磁阻元件之間或一個存儲單元中的磁阻元件和另一個存儲單元中的磁阻元件之間有可能存在電流流率的變化，因為經(jīng)常會出現(xiàn)這些存儲單元之間的電阻值的變化。相反，在如上述那樣在讀出電路系統(tǒng)中設(shè)置恒流電路因而加到每個存儲單元的讀出電流被標(biāo)準(zhǔn)化而總具有固定值時，磁阻元件之間電阻值的變化引起的輸出電流值的變化被控制在固定范圍內(nèi)。
可以利用帶隙基準(zhǔn)(reference)、以及可以通過組合二極管、晶體管和電阻器來設(shè)置本發(fā)明中的恒流電路。在這種情況下，所述晶體管不僅可以用于電流調(diào)節(jié)功能，還可以用作第一半導(dǎo)體開關(guān)，用于選擇是否允許讀出電流流入所述一對磁阻元件。另外，所述恒流電路例如可以設(shè)置在第二讀出線和地線之間。
此外，在根據(jù)本發(fā)明第一方面的磁存儲器件中，所述磁存儲器件最好包括一對電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器，所述一對電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器分別設(shè)置在所述一對第一讀出線和電源之間。本發(fā)明的“電源”是指用于運(yùn)行電路的電流和/或電壓源，包括磁存儲器件的內(nèi)部電源線。利用成對的電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器中的電壓降而從讀出電流中得到電壓輸出。為得到大的輸出值，希望每個電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器具有比每個磁阻元件大的電阻值。
另外，所述磁存儲器件最好還包括為每對第一讀出線提供的讀出放大電路，用于以電壓差的形式檢測和放大在第一讀出線中流動的讀出電流之間的差值；以及所述一對電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器的端子在與所述電源相對的一側(cè)分別連接到所述讀出放大電路的輸入端。通過讀出放大電路，放大了在每個電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器的供電端產(chǎn)生的電壓。
另外，更希望根據(jù)本發(fā)明第一方面的磁存儲器件還包括一對第二半導(dǎo)體開關(guān)，它們設(shè)置在所述一對電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器中與電源相對的一側(cè)，用于選擇是否分別給所述一對磁阻元件供應(yīng)讀出電流；以及所述一對第二半導(dǎo)體開關(guān)、所述一對電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器和所述讀出放大電路整體地設(shè)置在同一個區(qū)域中。即，一對第二半導(dǎo)體開關(guān)和一對電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器形成在形成讀出放大電路的區(qū)域。當(dāng)它們彼此緊靠地設(shè)置時，每對元件在工作時都有基本上相同的溫度變化。因此防止在所述一對元件之間發(fā)生特性值的差異。另外，最好所述一對第二半導(dǎo)體開關(guān)、所述一對電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器和所述讀出放大器分別形成對稱的電路。這樣，可以得到適當(dāng)?shù)牟罘州敵鲭妷褐?。此處用的“對稱”是組成電路的每對元件的電氣特性基本上彼此相等。
根據(jù)本發(fā)明的用于在磁存儲器件上寫入的方法是用于在根據(jù)本發(fā)明的第一磁存儲器件上寫入信息的方法。所述方法包括下列步驟通過由于由流經(jīng)穿過環(huán)形磁性層的第一和第二寫入線的電流產(chǎn)生的磁場而將所述一對磁阻元件中的磁敏層的磁化方向改變?yōu)楸舜四嫫叫?，來將信息寫入到存儲單元中?br> 在根據(jù)本發(fā)明的在磁存儲器件上寫入的方法中，通過把一對磁阻元件中磁敏層的磁化方向改變?yōu)槟嫫叫小⒓?、面對面或背靠背而寫入二元信息。為了使所述一對磁阻元件中磁敏層的磁化方向彼此逆平行，使每個元件中流入第一和第二寫入線的電流分別與另一個元件中流入第一和第二寫入線的電流反向。這樣，每個磁敏層中電流感生的磁場的方向與另一個磁敏層中的逆平行，而每個磁敏層的磁化固定在此方向。
根據(jù)本發(fā)明的用于從磁存儲器件讀出的方法是讀出寫在根據(jù)本發(fā)明的第一磁存儲器件上的信息的方法。所述方法包括以下步驟在垂直于所述磁阻元件的疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的方向上，分別將讀出電流輸送到所述一對磁阻元件；以及根據(jù)流過疊層結(jié)構(gòu)的電流從存儲單元讀出信息。
根據(jù)本發(fā)明的從磁存儲器件讀出的方法利用這樣的現(xiàn)象按照磁敏層彼此之間相對的磁化方向，出現(xiàn)在垂直于其層表面的方向上分別加到所述成對的磁阻元件的所述一對磁敏層的層表面的電流之間的電流值的差值。即，根據(jù)流入磁阻元件的疊層結(jié)構(gòu)部分的讀出電流值來讀出信息。
而且，在根據(jù)本發(fā)明的從磁存儲器件中讀出的方法中，最好根據(jù)分別輸送給所述一對磁阻元件的一對讀出電流值之間的差值來從存儲單元讀出信息。在這種情況下，由于以差分的方式輸出讀出電流，所以排除了在每個第一讀出線中或包含在每個磁阻元件的輸出值中的任何偏移成分中產(chǎn)生的噪音。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面的磁存儲器件包括多個第一寫入線；多個第二寫入線，它們延伸而分別與多個第一寫入線交叉；多個磁阻元件，每個磁阻元件包括疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層結(jié)構(gòu)包括其磁化方向按照外磁場變化的磁敏層；構(gòu)造成包括一對磁阻元件的每個存儲單元；一對讀出線，用于將讀出電流分別輸送到存儲單元的所述一對磁阻元件；讀出電路，用于根據(jù)分別通過所述一對讀出線輸送到所述一對磁阻元件的一對讀出電流的值之間的差值從存儲單元讀取信息；以及恒流電路，所述恒流電路具有調(diào)節(jié)流過每個存儲單元的一對磁阻元件的讀出電流的總量的電流調(diào)節(jié)功能。
在所述第二磁存儲器件中，每個存儲單元由一對磁阻元件構(gòu)成并且根據(jù)在所述成對的磁阻元件流過的一對讀出電流之間的差值讀出信息。那時，在所述成對的磁阻元件中流過的讀出電流的總和由恒流電路調(diào)整、使得由所述磁阻元件之間電阻變化引起的讀出電流的變化被控制在固定范圍內(nèi)。在所述第二磁存儲器件中，環(huán)形磁性層不是必要的組成部分。所述成對的磁阻元件中的每一個具有這種結(jié)構(gòu)，其中，第一寫入線和第二線設(shè)置在包括磁敏層的疊層結(jié)構(gòu)的一個表面上。順便指出，恒流電路可以設(shè)置成二極管、晶體管和電阻器的組合，所述晶體管不但具有電流調(diào)節(jié)功能而且可以作為用于選擇是否允許讀出電流流入所述一對磁阻元件的半導(dǎo)體開關(guān)。


圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的磁存儲器件的總體配置的方框圖。
圖2是顯示圖1中示出的磁存儲器件中存儲單元和讀出電路的配置的簡圖。
圖3是用于說明圖2中示出的讀出電路中讀出放大器的總體配置的電路圖。
圖4是顯示圖1所示的一組存儲單元的Y方向驅(qū)動電路部分周圍的安裝狀態(tài)的結(jié)構(gòu)圖。
圖5是顯示圖4所示Y方向驅(qū)動電路部分的實際電路布置的簡圖。
圖6是圖5所示單元驅(qū)動電路的讀出放大電路區(qū)域的圖形布置簡圖。
圖7是顯示圖1所示存儲單元的具體配置的剖面圖。
圖8是顯示圖1所示磁存儲器件中存儲單元和寫入線結(jié)構(gòu)的簡圖。
圖9是顯示圖7所示存儲單元的等效電路的簡圖。
圖10A和10B是用于說明在圖7所示的存儲單元中存儲信息的方法的簡圖。
圖11是用于說明在圖7所示的存儲單元中寫入信息的方法的簡圖。
圖12是用于說明從圖1所示的磁存儲器件中的存儲單元讀出的操作的原理的簡圖。
圖13是用于說明與圖2所示的讀出電路對照的對比例的電路圖。
圖14是顯示依照圖2所示讀出電路中防逆電流二極管的改型的整流元件及其布局的簡圖。
圖15是顯示依照圖2所示讀出電路中防逆電流二極管的另一個改型的整流元件及其布局的簡圖。
圖16是顯示依照圖2所示讀出電路中防逆電流二極管的另一個改型的整流元件及其布局的簡圖。
圖17是顯示依照圖2所示讀出電路中防逆電流二極管的另一個改型的整流元件及其布局的簡圖。
圖18是顯示依照圖2所示讀出電路中防逆電流二極管的另一個改型的整流元件及其布局的簡圖。
圖19是根據(jù)本發(fā)明的磁存儲器件的實施例中的讀出電路的簡圖。
圖20是顯示在圖19所示的讀出電路中每個測量點P1-P4測量的位解碼電壓和電流值之間的關(guān)系的曲線圖。
圖21是顯示在圖19所示的讀出電路中每個測量點P1-P9測量的位解碼電壓和電流值之間的關(guān)系的曲線圖。
圖22是顯示在圖19所示的讀出電路中每個存儲單元的磁存儲元件的電阻變化和輸出電壓之間的關(guān)系的曲線圖。
圖23是顯示用于說明與圖22所示實施例的讀出電路對照的對比例中讀出電路的等效電路的簡圖。
圖24是顯示在圖19所示的讀出電路中每一個成對的磁存儲元件中電阻變化和輸出電壓之間的關(guān)系的曲線圖。
具體實施例方式
以下將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例。
圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的磁存儲器件的總體配置的簡圖。所述磁存儲器件是以所謂半導(dǎo)體存儲芯片的形式實現(xiàn)的MRAM。作為其基本組成元件，所述磁存儲器件包括地址緩沖器101、數(shù)據(jù)緩沖器102、控制邏輯部分103、存儲單元組104、Y方向驅(qū)動電路部分106和X方向驅(qū)動電路部分108。在這種情況下，這樣設(shè)計所述磁存儲器件、使得存儲單元組104布置在硅芯片中心的寬廣區(qū)域，而電路部分如驅(qū)動電路部分106和108以及布線設(shè)置在圍繞存儲單元組104的狹窄區(qū)域。
在存儲單元組104中，在字線方向(X方向)和位線方向(Y方向)排列了大量存儲單元12、以便大體上形成矩陣。每個存儲單元12是用于存儲數(shù)據(jù)的最小單元，適合于存儲位數(shù)據(jù)“1”或“0”。附帶指出，此處存儲單元組104中的每行存儲單元12稱為“字陣列Xn”，而其每列稱為“位陣列Yn”。
Y方向驅(qū)動電路部分106由Y方向地址解碼器106A、用于讀出的讀出放大器106B和用于寫入的Y方向電流驅(qū)動器106C構(gòu)成。Y方向地址解碼器106A、讀出放大器106B和Y方向電流驅(qū)動器106C中的每一個都通過存儲單元12的位陣列Yn(Y1，Y2，...)連接到存儲單元組104。
X方向驅(qū)動電路部分108由X方向地址解碼器108A、用于讀出的恒流電路108B和用于寫入的X方向電流驅(qū)動器108C構(gòu)成。X方向地址解碼器108A、恒流電路108B和X方向電流驅(qū)動器108C中的每一個都通過存儲單元12的字陣列Xn(X1，X2，...)連接到存儲單元組104。因此，例如，如圖1所示，存儲單元12唯一地被X方向地址解碼器108A和Y方向地址解碼器106A提供的字向和位向地址(Xn和Yn)選中。
地址緩沖器101配備有外部地址輸入端子A0至A20，且通過地址線105和107連接到Y(jié)方向地址解碼器106A和X方向地址解碼器108A。地址緩沖器101具有從外部地址輸入端子A0至A20輸入用于選擇存儲單元12的選擇信號的功能和在其內(nèi)部的緩沖放大器中將所述選擇信號放大到地址解碼器106A和108A要求的電壓電平的功能。而且，放大后的選擇信號分成用于存儲單元12的字陣列方向(X方向)和位陣列方向(Y方向)的兩個選擇信號，且把這兩個選擇信號分別提供給地址解碼器106A和108A。而且，當(dāng)磁存儲器件包括多個存儲單元組104時，用于從所述多個存儲單元組104中選擇一個存儲單元組104的地址信號也提供給地址緩沖器101。
數(shù)據(jù)緩沖器102配備有用于與外部交換數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號的外部數(shù)據(jù)端子D0到D7，且通過控制信號線113連接到控制邏輯部分103。數(shù)據(jù)緩沖器102由輸入緩沖器102A和輸出緩沖器102B構(gòu)成，并且通過來自控制邏輯部分103的控制信號啟動輸入緩沖器102A和輸出緩沖器102B中的每一個。輸入緩沖器102A分別通過寫入數(shù)據(jù)總線110和111連接到Y(jié)方向電流驅(qū)動器106C和X方向電流驅(qū)動器108C。輸入緩沖器102A具有以下功能在存儲器寫入的時候從外部數(shù)據(jù)端子D0到D7輸入數(shù)據(jù)信號、在其內(nèi)部的緩沖放大器中將輸入的數(shù)據(jù)信號放大使得所述數(shù)據(jù)信號被放大到所要求的電壓電平以及將所述放大后的數(shù)據(jù)信號分別提供給Y方向電流驅(qū)動器106C和X方向電流驅(qū)動器108C。輸出緩沖器102B通過讀出數(shù)據(jù)總線112連接到讀出放大器106B。輸出緩沖器102B具有以下功能在存儲器讀出的時候，利用其內(nèi)部的緩沖放大器，把從讀出放大器106B輸入的讀出數(shù)據(jù)信號提供給具有低阻抗的外部數(shù)據(jù)端子D0到D7。
控制邏輯部分103配備有輸入端子CS和輸入端子WE，且通過控制信號線113連接到數(shù)據(jù)緩沖器102?？刂七壿嫴糠?03執(zhí)行對存儲單元組104的操作控制。把表示是否激活磁存儲器件的讀/寫操作的芯片選擇(CS)信號通過輸入端子CS提供給控制邏輯部分103。另一方面，把用于在寫和讀之間轉(zhuǎn)換的寫入使能(WE)信號通過輸入端子WE提供給控制邏輯部分103。控制邏輯部分103具有通過其內(nèi)部的緩沖放大器將從輸入端子CS和WE輸入的信號電壓放大到驅(qū)動電路部分106和108要求的電壓電平的功能。

下一步將描述磁存儲器件的讀出電路的配置。
圖2是由存儲單元組及其讀出電路構(gòu)成的電路系統(tǒng)的配置簡圖。所述讀出電路系統(tǒng)是差分放大型，其中，每個存儲單元12由一對存儲元件12A和12B構(gòu)成。此處，所述讀出電路系統(tǒng)適合于利用流過磁存儲元件12A和12B的讀出電流(電流分別通過讀出位線21A和21B流入磁存儲元件12A和12B并流出到公用讀出字線31)之間的差分值來從每個存儲單元12讀取信息，作為輸出。
圖2中，作為讀出電路重復(fù)單元的位向單元讀出電路80(...，80n，80n+1，...)由每個位陣列Yn中的存儲單元組104的存儲單元12和包含讀出放大器106B的讀出電路的一部分構(gòu)成。這種位向單元讀出電路80在位陣列方向上平行排列。每個位向單元讀出電路80(...，80n，80n+1，...)通過位解碼線20(...，20n，20n+1，...)連接到Y(jié)方向地址解碼器106A并通過讀出數(shù)據(jù)總線112連接到輸出緩沖器102B。附帶指出，由于沒有足夠的空間畫出所有的位向單元讀出電路80，圖2中只是代表性地注明兩個位向單元讀出電路80。同樣，存儲單元組104由兩個位陣列Yn和Yn+1代表。
每個存儲單元12的磁性存儲單元12A和12B是采用GMR和TMR的磁阻元件。此處將以特定的實例說明磁存儲元件12A和12B是TMR元件的情況。隨后將描述其詳細(xì)的配置。
在存儲單元組104中，由沿X方向排列的讀出字解碼線31(此后簡寫為“讀出字線”)和沿Y方向排列的多對讀出位解碼線21A和21B(此后簡寫為“讀出位線”)排列成矩陣形布線。每個存儲單元12布置在那些線的交叉位置。并聯(lián)到公用的讀出位線21A和21B對的存儲單元12形成位陣列Yn，而串聯(lián)到公用讀出字線31的存儲單元12形成字陣列Xn。
每個存儲單元12中，一對磁存儲元件12A和12B的一端分別連接到讀出位線21A和21B、而另一端分別通過一對防逆電流二極管13A和13B連接到公用讀出字線31。此處假設(shè)到達(dá)每個磁存儲元件12A、12B的讀出電流的電流通路是從元件的引線和讀出位線21A、21B之間的交叉點延伸到元件的引線和讀出字線31之間的交叉點的通路。附帶指出，此處，讀出位線21A和21B對應(yīng)于本發(fā)明的“一對第一讀出線”，讀出字線31對應(yīng)于本發(fā)明的“第二讀出線”。
對于存儲單元12的每個位陣列Yn(Y1，Y2，...)，讀出位線21A和21B成對布置。讀出位線21A和21B在Y方向延伸，穿過存儲單元組104，一端連接到電源Vcc。電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器23A、23B(此后稱為“電阻器23A、23B”)和晶體管22A、22B的集電極-發(fā)射極通路串聯(lián)連接到讀出位線21A、21B的一端(電源Vcc側(cè))。而且，形成位陣列Yn的多個存儲單元12都連接到讀出位線21A和讀出位線21B。具體地說，每個存儲單元12的磁存儲元件12A的一端連接到讀出位線21A，而磁存儲元件12B的一端連接到讀出位線21B。
另外，位解碼線20連接到晶體管22A、22B的基極。位解碼線20連接到Y(jié)方向地址解碼器106A。因此，從Y方向地址解碼器106A提供選擇性地輸出到屬于作為待讀/寫的目標(biāo)的存儲單元12的位陣列Yn的選擇信號。即，與存儲單元12的每個位陣列Y相應(yīng)地提供每個位解碼線20(...，20n，20n+1，...)，并且所述位解碼線20具有把選擇信號從Y方向地址解碼器106A發(fā)送到待操作的位陣列Yn的功能。晶體管22A和22B具有作為一對第二半導(dǎo)體開關(guān)的功能，所述第二半導(dǎo)體開關(guān)按照從位解碼線20提供的選擇信號的值(位解碼值)進(jìn)行切換。
附帶指出，位解碼線20具有和上述讀出位線21A、21B相同的解碼功能。但是，從操作上看，位解碼線20和讀出位線21A、21B兩者有明顯的區(qū)別。即，位解碼線20是信號線，Y方向地址解碼器106A通過它傳輸選擇的單元，且選擇的單元是“高”或“低”二元數(shù)字信號。另一方面，讀出位線21A、21B是用來檢測流入磁存儲元件12A、12B的弱電流的模擬信號線。附帶指出，相同的規(guī)則可以應(yīng)用于字解碼線30和讀出字線31。
而且，從連接到讀出位線21A、21B的電阻器23A、23B的端部的交叉點、與電源Vcc相對地引出讀出放大器輸入線40A、40B(此后稱為“輸入線40A、40B”)。電阻器23A、23B具有讀出放大器106B的偏壓電阻器的功能。即，這樣布置電阻器23A、23B、使得從電源Vcc向下流過讀出位線21A、21B的讀出電流被轉(zhuǎn)變成歸因于電阻器23A、23B本身電壓降的電壓、且所述電壓通過輸入線40A、40B被引入到讀出放大器106B。另外，電阻器23A、23B還具有產(chǎn)生中間電壓電平的功能，所述中間電壓電平按照-φ低于電源Vcc的使用電壓。此處，讀出電流很弱，因而不得不提高電阻器23A、23B的電阻值，以便在電阻器23A、23B中獲得大的電壓降，并因此使提供給輸入線40A、40B的電壓值盡量高。因此，最好電阻器23A、23B具有高電阻值，例如大約100kΩ，并且最好電阻器23A、23B的電阻值至少高于磁存儲元件12A、12B的電阻值。
排列在同一個字陣列Xn(X1，X2，...)上的存儲單元12連接到每個讀出字線31。附帶指出，在此實施例中，防逆電流二極管13A和13B作為整流元件布置在每個存儲單元12及其相應(yīng)的讀出字線31之間。防逆電流二極管13A和13B分別對應(yīng)于磁存儲元件12A和12B，且各自連接到磁存儲元件12A和12B。此外，磁存儲元件12A和防逆電流二極管13A與磁存儲元件12B和防逆電流二極管13B之間是絕緣的。
以單向元件的形式提供每個防逆電流二極管13，用于防止電流從讀出字線31回流到磁存儲元件12A、12B。例如，可用作所述防逆電流二極管13的是PN結(jié)二極管、肖特基二極管、使雙極結(jié)晶體管(BJT)的基極和集電極之間短路而形成的二極管、或使MOSFET的柵極和漏極之間短路制成的二極管。
而且，晶體管33的集電極-發(fā)射極通路連接到讀出字線31的接地端，而對應(yīng)于字陣列Xn的字解碼線30(...，30n，30n-1，...)布置在晶體管33的基極側(cè)。字解碼線30連接到X方向地址解碼器108A、以便具有接收選擇信號并且將選擇信號傳送給晶體管33的基極端的功能，所述選擇信號用于選擇來自X方向地址解碼器108A的字陣列Xn。
晶體管33用作第一半導(dǎo)體開關(guān)，所述半導(dǎo)體開關(guān)用于根據(jù)提供給其基極的選擇信號的值(位解碼值)進(jìn)行切換、以便控制讀出字線31的連接/斷開。例如，可以用BJT或MOSFET作為晶體管33。附帶指出，在晶體管33的發(fā)射極端設(shè)置限流電阻器34。
在所述實施例中，還在讀出字線31的接地端布置恒流電路108B。恒流電路108B具有固定流入讀出字線31的電流的功能。恒流電路108B由恒定電壓發(fā)生二極管32、晶體管33和限流電阻器34組成。因此，晶體管33除了用作字解碼半導(dǎo)體開關(guān)外，還具有使恒定電流從其集電極流向其發(fā)射極的功能。晶體管33的基極端還連接到二極管32的陽極。在這種情況下，二極管32由兩個串聯(lián)連接的二極管形成。
為每個位向單元讀出電路80提供一個讀出放大器106B。讀出放大器106B具有輸入在其相應(yīng)的位向單元讀出電路80中一對讀出位線21A和21B之間的電位差、并放大該輸入的電位差的功能。每個位向單元讀出電路80的讀出放大器106B通過輸入線40A和40B分別連接到相應(yīng)的讀出位線21A和21B。而且，所有的讀出放大器106B都連接到公用讀出放大器輸出線51A和51B(此后稱為“輸出線51A和51B”)，且最后通過讀出數(shù)據(jù)總線112連接到輸出緩沖器102B。
每個讀出放大器106B本身設(shè)置成包括放大級的所謂的差分放大器，所述放大級包括晶體管41A和41B；用于斷開電壓輸出的作為偏壓電阻器的電阻器42A和42B；用于電壓降的二極管43；具有電流控制功能和選擇開關(guān)功能的晶體管44；以及用于電壓降的電阻器45。
圖3總體上示出從讀出電路摘取的讀出放大器106B的一部分。如圖所示，提供給各個位向單元讀出電路80的讀出放大器106B與輸出線51A和51B串聯(lián)連接。附帶指出，電阻器42A和42B是所有串聯(lián)連接的讀出放大器共享的偏壓電阻器。
晶體管41A、41B的基極端與輸入線40A、40B連接且其集電極端與電阻器42A和42B連接(通過輸出線51A、51B)。這些晶體管41A和41B的發(fā)射極端一起連接到晶體管44的集電極端。附帶指出，位解碼線20通過二極管43與晶體管44的基極端連接，而晶體管44的發(fā)射極端通過電阻器45接地。此處，最好使用高精度的電阻器作為電阻器42A和42B，而且晶體管41A和41B必需具有相同的經(jīng)過很好校準(zhǔn)的特性。
附帶指出，二極管43用于借助于二極管43的帶隙基準(zhǔn)來產(chǎn)生比位二極管線20的電壓電平低-φ的中間電壓電平且設(shè)定所產(chǎn)生的電壓的值作為晶體管44的基極端輸入電壓。晶體管44不僅具有限流功能、還具有根據(jù)來自位解碼線20的位解碼值進(jìn)行切換的半導(dǎo)體開關(guān)功能，。
另一方面，每個讀出放大器106B的晶體管41A和41B的集電極端分別連接到輸出線51A和51B且通過輸出線51A和51B連接到輸出緩沖器102B，進(jìn)一步連接到讀出數(shù)據(jù)總線112。
下面將參考圖4到6說明本實施例中的磁存儲器件的電路布置圖形。
圖4示出Y方向驅(qū)動電路部分周圍的存儲單元組的安裝狀態(tài)。圖5示出Y方向驅(qū)動電路部分的實際電路布置。Y方向驅(qū)動電路部分106形成在存儲單元組104的一側(cè)且在Y方向驅(qū)動電路部分106上方設(shè)置接合片121。如上所述，在Y方向驅(qū)動電路部分106中，與每個位陣列Yn(Y1，Y2，...)相對應(yīng)地，以一個組成單元的形式形成Y方向地址解碼器106A、讀出放大器106B和Y方向電流驅(qū)動器106C。在此實施例中，以單元驅(qū)動電路DUn(DU1，DU2...)的形式形成為其對應(yīng)的位陣列Yn(Y1，Y2，...)布置的電路106A到106C中的每個組成單元，同時，這樣形成單元驅(qū)動電路DUn(DU1，DU2...)、以便將其接納在存儲單元12的寬度W范圍內(nèi)。因此，每個單元驅(qū)動電路DUn正好布置在其對應(yīng)的位陣列Yn的端部。
圖5示出一個單元驅(qū)動電路。在電源線122(Vcc)和中間電位電源線123(Vm)或地線124(GND)之間形成Y方向地址解碼器106A的電路區(qū)域。中間電位電源線123是電壓源，用于向限流晶體管、X方向恒流電路108B等提供相當(dāng)于帶隙+2φ的電壓。而且，地址線105延伸在整個所述電路區(qū)域，單元驅(qū)動電路DUn的地址解碼器106A分別連接到地址線105。
在電源線125和中間電位電源線123或地線124之間形成讀出放大器106B的電路區(qū)域。輸出線51A和51B延伸在整個所述電路區(qū)域，而且這樣排列布線、使得單元驅(qū)動電路Dun的讀出放大器106B分別與輸出線51A和51B串聯(lián)連接。在電源線125和中間電位電源線126或地線127之間形成Y方向電流驅(qū)動器106C的電路區(qū)域。
圖6僅僅具體地示出單元驅(qū)動電路的讀出放大器中的電路圖形布置。如之前在圖2中所述，讀出放大器106B不僅分別與位陣列Yn(Y1，Y2，...)連接，而且連接到讀出位線21A和21B的電源Vcc端。因此，晶體管22A和22B和電阻器23A和23B與它們相關(guān)聯(lián)的讀出放大器106B一起整體地布置在讀出放大器106B的電路區(qū)域中。
當(dāng)把所述電路圖形布置圖與圖2和3的電路圖比較時，可以看出，在讀出放大器106B的一對晶體管41A和41B內(nèi)，晶體管22A和22B和電阻器23A和23B分別布置成彼此完全配對。通路焊盤128A和128B分別連接到讀出位線21A和21B。而且，雖然沒有在圖6中顯示，但在離地線124以外的地方，位解碼線20連接到Y(jié)方向地址解碼器106A。附帶指出，為了便于理解，電源線125被置于頂部而地線124被置于底部，不與圖5對應(yīng)而與圖2和3對應(yīng)。
附帶指出，所述讀出放大器106B中的所述一對晶體管22A和22B、所述一對電阻器23A和23B分別是微分對。從操作看來，所述對中的一個必須具有與另外一個相同的特性。因此，不用說，所述特性事先已校準(zhǔn)了，但是，輸出特性可能由于每個電路元件安裝位置的溫度條件的區(qū)別而改變。相反，根據(jù)本實施例，成對的電路元件相互緊靠地布置，這樣它們受到相同的溫度變化。因此，那些電路元件的性質(zhì)彼此相似地變化，這樣，產(chǎn)生微小的差別。因此可以減小由于溫度變化引起的輸出值的變化。
下面將描述本實施例中磁性性存儲元件12A和12B以及存儲單元12的配置。
圖7是顯示存儲單元的配置的剖面圖。如圖所示，存儲單元12由設(shè)置在襯底10上的一對左和右磁存儲元件12A和12B構(gòu)成。每個磁存儲元件12A和12B由疊層結(jié)構(gòu)和環(huán)形磁性層5構(gòu)成。在疊層結(jié)構(gòu)中，第一磁性層1、非磁性層2和第二磁性層3層疊在一起。環(huán)形磁性層5設(shè)置在疊層結(jié)構(gòu)的一個表面、以便具有沿著疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的軸向且適合于被寫入位線6a和寫入字線6b(第一和第二寫入線)穿過。第二磁性層3和環(huán)形磁性層5通過非磁性導(dǎo)電層4粘合且電連接。
而且，在每個磁存儲元件12A、12B中，在疊層結(jié)構(gòu)上(與環(huán)形磁性層5相反的表面)設(shè)置讀出檢測引線11，從而適合于使電流可以流向襯底10、以垂直于疊層結(jié)構(gòu)表面的形式流入疊層結(jié)構(gòu)。
第一磁性層1是具有固定磁化方向的鐵磁層。第二磁性層3具有隨外部磁場變化的磁化方向的鐵磁層(磁敏層)。這些磁性層層疊成這樣的狀態(tài)薄到幾個nm(納米(10-9米)＝幾十埃)的非磁性層2夾在所述各磁性層中間。在疊層結(jié)構(gòu)中，當(dāng)垂直于層疊表面的電壓施加在第一磁性層1和第二磁性層3之間時，例如，第二磁性層3中的電子穿過非磁性層2移向第一磁性層1、以致隧道電流流動。即，此處使用的非磁性層2是隧道阻擋層。隧道電流按照在與非磁性層2界面部分中第一磁性層1的自旋和第二磁性層3的自旋之間的相對角度而變化。即，在第一磁性層1的自旋和第二磁性層3的自旋彼此平行時，磁存儲元件12A(12B)的電阻值最小，而在第一磁性層1的自旋和第二磁性層3的自旋逆平行時，磁存儲元件12A(12B)的電阻值最大。
第二磁性層3具有按照寫入位線6a和寫入字線6b感生的磁場而改變的磁化方向。第二磁性層3的磁化方向被感生磁場反轉(zhuǎn)、使得和第一磁性層1的磁化方向的相對角度反轉(zhuǎn)。此外，由于采用所謂矩陣驅(qū)動法來選擇要在其上寫入的存儲單元12，所以這樣設(shè)定第二磁性層3的磁特性、大小等、使得當(dāng)電流或者流入寫入位線6a或者流入寫入字線6b時，磁化不被反轉(zhuǎn)，而只有當(dāng)電流以同一個方向流入寫入位線6a和寫入字線6b時，磁化才被反轉(zhuǎn)。這就是作為TMR元件的磁存儲元件12A(12B)的基本結(jié)構(gòu)。
環(huán)形磁性層5具有圓柱的形狀，其軸垂直于圖7中的紙面，包括寫入位線6a和寫入字線6b彼此平行的部分。即，環(huán)形磁性層5具有圓環(huán)的形狀，其軸向?qū)?yīng)于寫入位線6a和寫入字線6b的延伸方向，所述環(huán)形在軸向交叉的截面方向上閉合。而且，環(huán)形磁性層5由導(dǎo)磁率足夠高的磁性材料制成，當(dāng)電流流過被包含在其中的寫入位線6a和寫入字線6b產(chǎn)生磁通時，可以將磁通限制在環(huán)形磁性層5內(nèi)。因此，環(huán)形磁性層5具有有效地改變第二磁性層3的磁化方向的功能。如圖7所示，環(huán)形磁性層5在截面上具有閉合回路、使得產(chǎn)生的感生磁場在環(huán)形磁性層5內(nèi)部沿著平行于其截面的平面回流。因此，環(huán)形磁性層5具有防止磁通外漏的電磁屏蔽作用。此外，環(huán)形磁性層5適合于在其一個表面上與第二磁性層3接觸。因此，磁場可以很容易地傳輸?shù)降诙判詫?、因此可以以高磁通密度更有效地改變相鄰的第二磁性層3的磁化方向。
圖8示出寫入位線6a和寫入字線6b的布線結(jié)構(gòu)。如圖所示，本實施例的磁存儲器件具有多個寫入位線6a和分別延伸成與寫入位線6a交叉的多個寫入字線6b。這些線延伸成彼此交叉，但在它們交叉的區(qū)域局部地平行。在所述平行部分形成磁存儲元件12A和12B。附帶指出，此處提到的平行允許±10°的制造誤差范圍。此處，借助于彼此平行的寫入位線6a和寫入字線6b的組合磁場將第二磁性層3的磁化反轉(zhuǎn)。，所述感生磁場的大小大于那些線彼此交叉時的組合磁場。因此可以有效地執(zhí)行寫入操作。
附帶指出，電流流入每個磁存儲元件12A(12B)、以便從讀出檢測引線11流入其疊層結(jié)構(gòu)并且朝著襯底10穿過環(huán)形磁場5。因此，具有導(dǎo)電性的材料用于疊層結(jié)構(gòu)的除使隧道電流可以在其中流動的非磁性層2、非磁性導(dǎo)電層4和環(huán)形磁性層5之外的所有的層。例如，鈷-鐵合金(CoFe)用于第一磁性層1和第二磁性層3。也可以選擇用單金屬鈷(Co)、鈷-鉑合金(CoPt)、鎳-鐵-鈷(NiFeCo)等。另外，為了穩(wěn)定磁化方向彼此平行或逆平行的狀態(tài)，第一磁性層1和第二磁性層3最好具有彼此平行的易磁化軸。
基于隧穿電阻等來限定非磁性層2的厚度。通常，在使用TMR元件的磁存儲元件中，為了與半導(dǎo)體器件如晶體管匹配，一般認(rèn)為，把隧穿電阻設(shè)定為約幾十kΩ·(μm)2是合適的。但是，為了提高磁存儲器件的密度和操作速度，最好是使隧穿電阻不高于10kΩ·(μm)2，更優(yōu)選是不高于1kΩ·(μm)2。為了得到這種隧穿電阻值，非磁性層(隧道阻擋層)2的厚度最好不大于2nm，更優(yōu)選是不大于1.5nm。但如果非磁性層2太薄，隧穿電阻確實會減小，但可能會由于與第一磁性層1和第二磁性層3的粘結(jié)界面中的不規(guī)則而引起漏電流，這樣，就降低MR比。為防止這樣，非磁性層2必須達(dá)到足以防止漏電流流動的厚度。更具體地說，非磁性層2最好不薄于0.3nm。
非磁性導(dǎo)電層4具有以反鐵磁性的方式將第二磁性層3和環(huán)形磁性層5粘結(jié)在一起的功能。例如，可以用釕(Ru)、銅(Cu)等。鐵(Fe)、鎳-鐵合金(NiFe)、Co、CoFe、NiFeCo等可以用于環(huán)形磁性層5。另外，為了集中在環(huán)形磁性層5上的寫入位線6a和寫入字線6b產(chǎn)生的磁場，環(huán)形磁性層5的導(dǎo)磁率最好盡量高。更具體地說，所述導(dǎo)磁率不低于2000，最好不低于6000。
寫入位線6a和寫入字線6b中的每一個具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中，鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)和鋁(Al)按順序?qū)盈B，并且通過絕緣膜把所述各層彼此電絕緣。寫入位線6a或?qū)懭胱志€6b可以由例如選自鋁(Al)、銅(Cu)和鎢(W)中的至少一種材料制成。
附帶指出，盡管描述了磁存儲元件12A(12B)是TMR元件的情況，但磁存儲元件12A(12B)可以是CPP(電流垂直于膜面)-GMR元件，其結(jié)構(gòu)允許電流垂直于磁性層的層疊表面流動。在這種情況下，除了非磁性層2不是絕緣層而是非磁性金屬層之外，可以按照類似于磁存儲元件12A(12B)的結(jié)構(gòu)來制造所述元件結(jié)構(gòu)。
在將要形成磁存儲元件12A和12B的襯片10上形成外延層9，再在外延層9上形成導(dǎo)電層8和絕緣層7。導(dǎo)電層8包括通過絕緣層7彼此絕緣的導(dǎo)電層8A和8B。在導(dǎo)電層8和絕緣層7上形成磁存儲元件12A和12B。這樣布置磁存儲元件12A、12B、使得形成磁存儲元件12A、12B的區(qū)域的至少一部分與形成導(dǎo)電層8A、8B的區(qū)域重疊。因此，磁存儲元件12A和12B一個一個地分別粘合在導(dǎo)電層8A和8B上，彼此分離且絕緣。因此，磁存儲元件12A和12B相互電絕緣。即，這樣設(shè)置布線、使得磁存儲元件12A和12B之間沒有電連接。
另外，此處假設(shè)襯片10是n型硅晶片。通常，P(磷)雜質(zhì)分散在n型硅晶片中。由于P(磷)的高濃度分散而形成為n++型的硅晶片用作襯片10。另一方面，由于P(磷)的低濃度分散而形成為n-型的外延層9。另外，金屬用于導(dǎo)電層8。在這種情況下，當(dāng)使n-型半導(dǎo)體的外延層9與金屬導(dǎo)電層8接觸時，由于其中產(chǎn)生的帶隙而形成肖特基二極管。這就是本實施例中的二極管13A、13B。
這樣形成作為肖特基二極管的二極管13A和13B有其優(yōu)點，這是由于包含硅晶片的外延層容易得到，且價格便宜，制造工藝簡單。但是，肖特基二極管的漏電流至少是PN結(jié)二極管的漏電流的幾百倍，且其漏電流隨溫度提高而大量增加。當(dāng)以MRAM半導(dǎo)體存儲芯片的形式形成所述磁存儲器件并且與存儲單元12對應(yīng)地并聯(lián)幾千肖特基二極管時，漏電流的顯著提高使讀出輸出的信噪比降低。盡管描述了采用價格和制造方面優(yōu)異的肖特基二極管作為二極管13的情況，但所述二極管13也可以由PN結(jié)二極管、基極和集電極之間短路的BJT、或柵極和漏極之間短路的MOSFET形成。
圖9以電路圖的形式示出存儲單元。如圖所示，流入一對磁存儲元件12A和12B中的每一個的電流值按照第一磁性層1和第二磁性層3之間磁化的相對角度而變化。因此，磁存儲元件12A和12B可以看作可變電阻器。即，磁存儲元件12A(12B)可以是低電阻狀態(tài)，其中允許的隧道電流的電流密度高，也可以是其中電流密度低的高電阻狀態(tài)。
附帶指出，在此實施例中，以這樣的狀態(tài)存儲信息磁存儲元件12A和12B中的一個被設(shè)定為低電阻，而另一個被設(shè)定為高電阻，正如以下的操作說明中將要詳細(xì)描述的那樣。這是由于信息是通過對來自于兩個磁存儲元件12A和12B的輸出的差分放大而讀出的。因此，必須把這兩個彼此匹配的磁存儲元件12A和12B制造成電阻值、磁阻變化率和第二磁性層3中的反向磁場的大小相等。
下面將介紹信息存儲系統(tǒng)和存儲單元12的寫入方法。
圖10A和10B以與圖9同樣的方式示出存儲單元，表示磁存儲元件12A和12B中的每一個的第一磁性層1和第二磁性層3的磁化。在圖10A和10B中，空心箭頭表示第一磁性層1的磁化。磁存儲元件12A和12B中每一個的第一磁性層1固定地在右方向上被磁化。而實心箭頭表示第二磁性層3的磁化。磁存儲元件12A和12B的第二磁性層3在彼此逆平行的方向上被磁化。這樣，在每個存儲單元12中，在一對磁存儲元件12A和12B的第二磁性層3的磁化方向彼此逆平行的情況下存儲信息。
在這種情況下，在所述一對磁存儲元件12A和12B中，第一磁性層1和第二磁性層3的磁化方向的組合總是(平行，逆平行)的第一狀態(tài)或者(逆平行，平行)的第二狀態(tài)。因此，使二元信息值“0”和“1”分別對應(yīng)于這兩種狀態(tài)時，一位信息可以存儲在一個存儲單元12中。附帶指出，當(dāng)?shù)谝淮判詫?和第二磁性層3的磁化方向平行時，使磁存儲元件12A(12B)處在低電阻狀態(tài)，其中可以流過大的隧道電流，而當(dāng)?shù)谝淮判詫?和第二磁性層3的磁化方向逆平行時，使磁存儲元件12A(12B)處在高電阻狀態(tài)，其中只可以流過小的隧道電流。即，總是在成對的磁存儲元件12A和12B中的一個具有低電阻而另外一個具有高電阻的狀態(tài)下存儲信息。
因此，為了使成對的磁存儲元件12A和12B中的第二磁性層3的磁化方向彼此逆平行，使電流流入用于磁存儲元件12A和12B的寫入位線6a和寫入字線6b，如圖11所示，這樣，電流以相反的方向相對流動(見圖8)。圖11示出當(dāng)圖10A和10B中的每一個所示的位“1”被寫入存儲單元12時寫入電流的方向。
結(jié)果，在磁存儲元件12A和12B的環(huán)形磁性層5中分別感生彼此相反地回流的磁場、使得它們在與第二磁性層3相對的表面中的磁化方向(即，感生磁場方向)彼此逆平行。磁存儲元件12A和12B的第二磁性層3的磁化方向由于外部提供的磁場方向而逆平行，第二磁性層3的磁化狀態(tài)分別被與環(huán)形磁性層5結(jié)合的反鐵磁性固定。附帶指出，為了寫入位“0”，提供給磁存儲元件12A和12B的電流方向分別轉(zhuǎn)換成與圖11中所示的方向相反。
此時，感生磁場被限定在環(huán)形磁性層5內(nèi)部、使得用于反轉(zhuǎn)第二磁性層的磁化的有效磁場強(qiáng)度與現(xiàn)有技術(shù)相比提高了。因此，用必要和有效的磁場強(qiáng)度可以反轉(zhuǎn)第二磁性層3的磁化，這樣可以有效地執(zhí)行寫入操作。換句話說，在寫入操作中，校準(zhǔn)了第二磁性層3的磁化，使其在預(yù)定方向上足夠大。這樣，減小了第二磁性層3的磁化方向被外部干擾磁場干擾的擔(dān)憂，因而可以防止曾經(jīng)寫入的信息被意外地刪除或重寫入。即，可以可靠地寫入信息。
在所述磁存儲器件中，首先，地址緩沖器101從外部數(shù)據(jù)端子A0到A20輸入信號電壓，通過其內(nèi)部的緩沖放大器放大該信號電壓，并通過地址線105和107將放大后的信號電壓傳輸給Y和X方向地址解碼器106A和108A。同時，數(shù)據(jù)緩沖器102從外部數(shù)據(jù)端子D0到D7輸入信號電壓，通過其內(nèi)部的緩沖放大器放大該信號電壓，并通過字?jǐn)?shù)據(jù)總線110和111將放大后的信號電壓傳輸給Y和X方向電流驅(qū)動器106C和108C(圖1)。
地址解碼器106A和108A根據(jù)這樣得到的選擇信號選擇具有解碼值的寫入位線6a和寫入字線6b。另外，流入寫入位線6a和寫入字線6b的電流方向由電流驅(qū)動器106C和108C決定。因此，唯一地選擇了其中電流流入寫入位線6a和寫入字線6b兩者的存儲單元12，并且在所選的存儲單元12中寫入給出的位數(shù)據(jù)。例如，在圖8中，流過寫入位線6a和寫入字線6b的電流方向用箭頭表示，示出選擇存儲單元12的狀態(tài)。
以以下的方式用磁存儲器件讀出在每個存儲單元12中寫入的信息。
圖12示出存儲單元的基本配置。首先，參考圖12說明讀出操作的基本部分。在每個存儲單元12中，磁存儲元件12A和12B具有如圖12所示的磁化方向、因此已經(jīng)存儲信息。對于存儲單元12，通過經(jīng)位解碼線20提供的關(guān)于Y方向的選擇信號和經(jīng)字解碼線30提供的關(guān)于X方向的選擇信號來選擇從其中讀出信息的存儲單元12。例如，當(dāng)要選擇的存儲單元12在第Yn行和第X(n+1)列時，信號就被輸入到第Yn位解碼線20n和第X(n+1)字解碼線30n+1。
當(dāng)使第Yn位解碼線20n中的電壓電平“高”時，晶體管22A和22B導(dǎo)通、使得讀出電流流入存儲單元12的第Yn行方向塊(位陣列Yn)。讀出電流從電源Vcc端通過讀出位線21A和21B向下流到相反端。
另一方面，當(dāng)使第X(n+1)字解碼線30n+1中的電壓電平“高”時，晶體管33導(dǎo)通、使得電流流入存儲單元12的第X(n+1)列方向塊(字陣列Xn+1)。因此，來自第Yn讀出位線21A和21B的讀出電流分別流過磁存儲元件12A和12B以及二極管13A和13B，一起流入第X(n+1)讀出字線31，再流過組成恒流電路108B的晶體管33的集電極-發(fā)射極通路，且通過電阻器34排出到地線。這樣，通過使讀出電流流入第Yn行第X(n+1)列的磁存儲元件12A和12B來選擇第Yn行第X(n+1)列的存儲單元12。
通過檢測分別流過存儲單元12的磁存儲元件12A和12B的電流值之間的差值來執(zhí)行讀出信息的操作。流過磁存儲元件12A和12B的電流分別基本上等于流過讀出位線21A和21B的讀出電流。另外，在與讀出位線21A(21B)串聯(lián)連接的電阻器23A(23B)中，由于讀出電流在其中流動的緣故而產(chǎn)生電壓降。電壓降Va由下式?jīng)Q定，其中Isense表示讀出電流大小，Ra表示電阻器23A(23B)的電阻值。
Va(伏)＝Isense(安)×Ra(歐姆) ...(1)從表達(dá)式(1)可以看出，可以借助于電壓降Va將讀出電流Isense轉(zhuǎn)變成電壓，因而當(dāng)校準(zhǔn)了電阻器23A和23B的值時，可以檢測這樣獲得的電壓之間的差值。因此，此處分別從輸入線40A和40B中得到電阻器23A和23B中的電壓降，并且檢測所得到的電壓降之間的差值作為讀出輸出信號。這樣，通過提取用于存儲單元12的兩個磁存儲元件12A和12B的輸出值之間的差值，可以在存儲單元12中得到排除了噪音的大的輸出值。
在讀出操作中，流入所選的存儲單元12的每個讀出電流的大小由設(shè)置在讀出字線31的接地端的限流電阻器34調(diào)整。雖然限流電阻器34本身具有限制電流流率的作用，但還是通過把限流電阻器34、晶體管33和二極管32的操作組合起來、將電流的流率限定在預(yù)定范圍內(nèi)，來設(shè)置恒流電路108B。
當(dāng)字解碼線30的電壓電平“高”時，由牢固地串聯(lián)連接的兩個二極管組成的二極管32由于二極管之間的帶隙基準(zhǔn)而產(chǎn)生比地線高+2φ的中間電壓電平。因此，將所述中間電壓電平加到晶體管34的基極端、以便使晶體管34導(dǎo)通。此時，由下述表達(dá)式得到從讀出字線31流出的讀出電流Isense的大小，其中Rc表示限流電阻器34的電阻值。
Isense(A)＝(2φ′-φ″)(Volt)/Rc(Ω)...22φ′值表示由兩個二極管串聯(lián)連接構(gòu)成的二極管32的正向電壓，φ″值表示晶體管33的基極-發(fā)射極正向電壓。由于這些值是半導(dǎo)體器件固有的，因而表達(dá)式(2)示出當(dāng)電阻值Rc固定時，讀出電流Isense具有恒定值，且讀出電流Isense可以用電阻值Rc作為參數(shù)唯一地確定。
即，借助于恒流電路108B，穩(wěn)定在固定范圍內(nèi)的弱讀出電流Isense流過讀出字線31。附帶指出，表達(dá)式(2)中的讀出電流Isense是流過讀出字線31的電流，它是流過讀出位線21A和21B或磁存儲元件12A和12B的兩個電流的總和。
例如，當(dāng)限流電阻器34的值是50κΩ、硅二極管和硅晶體管用作二極管32和晶體管33時，基于恒流電路108B的讀出電流Isense具有大約15μA的值。在這種情況下，即使成對的磁存儲元件12A和12B在其驅(qū)動運(yùn)行中可以具有的電阻值的范圍由于一些制造上的原因而彼此不同，流過成對的磁存儲元件12A和12B的電流的總和總是基本上等于15μA。附帶指出，由于一些制造上的原因引起的磁存儲元件12A(12B)的電阻值的這種變化指的是電阻值可以由于非磁性層2中厚度和原子排列的很小的不規(guī)則而變化，因為非磁性層2的厚度只有幾個原子單位，即幾個nm(幾十埃)。因此，盡管是非常仔細(xì)地形成非磁性層2，使其具有均勻厚度，但事實上磁存儲元件12A(12B)的電阻值還是會出現(xiàn)大約15-50％的變化，如果制造設(shè)備等的條件更差的話，變化會更大。
磁存儲元件12A、12B的電阻變化根據(jù)引起的因素被分成以下兩種情況。(1)第一種情況是由于非磁性層2的厚度變化等使得在高電阻時的磁存儲元件12A、12B的電阻值和在低電阻時的磁存儲元件12A、12B的電阻值從一個存儲單元12到另一個存儲單元12不同的情況。通常，當(dāng)非磁性層2的厚度增加時，成對的磁存儲元件12A和12B中的每一個的電阻在低電阻和高電阻時都保持較大的值。(2)第二種情況是，在每個存儲單元12中成對的磁存儲元件12A和12B之間，其中流過大的隧道電流時的電阻值與其中僅流過小的隧道電流時的電阻值的比率即MR比有所不同的情況，這是由于結(jié)合界面的不規(guī)則、非磁性層2的厚之間的差別或其它原因。
此處，(1)假設(shè)存儲單元12中的磁存儲元件12A和12B的電阻值有所不同。流過讀出位線21A和21B的電流值確實分別是相應(yīng)于成對的磁存儲元件12A和12B的電阻值的值，但電流值的總數(shù)被控制到總是恒定的。換句話說，流過讀出位線21A和21B的電流值是標(biāo)準(zhǔn)電流流率基于電阻比的分割。因此，與電阻值的變化程度相比，每個電流值的偏差減小了。更具體地說，當(dāng)存儲單元12中的電阻變化不改變?nèi)魏蔚腗R比時，每對磁存儲元件12A和12B的電阻比固定。因此，讀出位線21A、21B的每個電流值基本上固定，不受每個存儲單元12的電阻值的影響(即使是存儲單元12的電阻值之間有很大的差別)。因此，讀出位線21A和21B之間的電流值的差值總是被控制在固定的范圍內(nèi)。結(jié)果，流向電壓變換電阻器23A和23B的電流的電壓降的差值控制在固定范圍內(nèi)，可以得到穩(wěn)定的差分輸出，還可以提高讀出信號的信噪比。
另一方面，從以上描述可以看出，(2)磁存儲元件12A對磁存儲元件12B的MR比的變化，尤其是MR比的降低對得到差分輸出有致命的危害，它導(dǎo)致輸出信號的信噪比的顯著降低。但是，提供恒流電路108B根據(jù)總電流值來抑制每個讀出位線21A、21B中電流的偏差。結(jié)果，電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器23A、23B中電壓降的波動也被抑制在固定范圍內(nèi)，這樣，可以減小輸入到讀出放大器106B的偏移電壓的變化。因此，在這種情況下，可以提高讀出輸出信號的信噪比。
另外，在讀出操作中，在讀出字線31側(cè)每個磁存儲元件12A、12B的電流通路上設(shè)置二極管13A、13B，防止電流從讀出字線31逆流到磁存儲元件12A、12B。
位陣列Yn和字陣列Xn中的磁存儲元件12A、12B連接到公用讀出位線21A、21B和公用讀出字線31。因此會有這樣的擔(dān)心一部分讀出電流通過另外的未被讀出的磁存儲元件12A、12B流出其正常的通路并流入其它的通路，并且直接向下流入地線或再回流到正常通路。不管這種擔(dān)心而采取這種布線結(jié)構(gòu)的原因不但是為了簡化線路結(jié)構(gòu)而讓位線方向和字線方向的每個陣列共用用于選擇存儲單元12的一個開關(guān)而且是每個陣列共用一個恒流電路108B。
這種電流分量流出其正常通路并且在所述電路周圍流動，尤其是在通過磁存儲元件12A(12B)回流的通路上產(chǎn)生這種反饋分量。但是，此處，這種通路被單向元件二極管13A、13B截止。
圖13示出當(dāng)磁存儲元件12A和12B的電流通路上沒有二極管13A和13B時的漏電流通路(i)和反饋通路(ii)和(iii)，以此作為與本實施例對照的對比例。在圖13中，位陣列Yn和字陣列Xn+1的存儲單元12是要從其中讀取信息的單元。即，實線表示正常的電流通路。
另一方面，一部分讀出電流從讀出位線31回流到字線陣列方向上相鄰磁存儲元件12A和12B，且進(jìn)一步流入讀出位線20n+1，如通路(i)所示。附帶指出，在一起連接到相同的讀出字線31的大量磁存儲元件12A和12B(未示)中也會發(fā)生同樣的漏泄。
另外，例如象通路(ii)中所示，圍繞存儲單元12的低電阻側(cè)磁存儲元件12A(12B)有反饋通路。在圖13中，用設(shè)置在每個存儲單元12的低電阻側(cè)的磁存儲元件12A說明這些通路。其中，反向的電流在讀出位線21A中進(jìn)一步往下流，穿過在位陣列方向上相鄰的低電阻側(cè)磁存儲元件12A，再進(jìn)一步通過讀出字線31回流到在字線陣列方向上相鄰的另一個存儲單元12的另一個低電阻側(cè)磁存儲元件12A。之后，穿過另一個讀出位線21A，而不是正常的通路，所述電流向上流入連接到所選的讀出字線31的另外一個磁存儲元件12A(在圖13中的位陣列方向上相鄰)。流入所述低電阻側(cè)磁存儲元件12A的電流最終流入所選的讀出字線31。連接到相同的讀出位線21A的大量磁存儲元件12A(未示)和共用連接到那些磁存儲元件12A的讀出字線31的大量磁存儲元件12A和12B(未示)中也會發(fā)生類似的反饋。當(dāng)磁存儲元件12B在低電阻側(cè)時，發(fā)生類似的反饋。
另一個反饋的例子是通路(iii)。其中來自連接到讀出位線21A的磁存儲元件12A(低電阻側(cè))的電流流入磁存儲元件12B(高電阻側(cè))。因此，電流反向流過磁存儲元件12A和12B之一，并因此穿過一個存儲單元12。進(jìn)一步，所述電流在相對側(cè)讀出位線21B中向上流并通過要讀的存儲單元12的磁存儲元件12B回流入正常通路。
正如在所述實施例中一樣，所有這些通路(i)到(iii)可以被分別設(shè)置在磁存儲元件12A和12B的電流通路上的二極管13A和13B截止。因此，可以降低讀出電流的波動、即降低漏電流或通過磁存儲元件12A、12B反饋的電流引起的信號噪音。附帶指出，當(dāng)一個二極管在電流通路上連接到每個存儲單元12的磁存儲元件12A和12B時，可以截止通路(i)和(ii)，且可以期望獲得防止電流漏泄或反饋的特定效果。但是，象本實施例中一樣，為了截止通路(iii)，必須為在存儲單元12中彼此斷路和獨(dú)立的磁存儲元件12A和12B提供回流防止措施。
本實施例中的防逆電流二極管13A和13B可以用是具有類似的整流功能的元件的晶體管來代替。圖14中示出這種修改，其中，在磁存儲元件12A、12B和讀出字線31之間設(shè)置防逆電流晶體管63A、63B。當(dāng)防逆電流晶體管63A、63B的基極端子連接到位解碼線20或字解碼線30時，防逆電流晶體管63A、63B可以與讀出位線21A、21B或讀出字線31聯(lián)鎖導(dǎo)通。順便指出，這種情況下，可以省去晶體管22A和22B。這種防逆電流晶體管63A、63B具有類似于單向元件的功能。
用防逆電流晶體管63A、63B的一個優(yōu)點是導(dǎo)通晶體管的電壓遠(yuǎn)低于任何二極管的正向電壓。導(dǎo)通晶體管的集電極-發(fā)射極電壓很低(約0.2V)，而帶隙Φ(0.65V到0.75V)的電壓作為正向電壓施加到二極管上。在本實施例的讀出電路中，從電源Vcc到地線的電流通路具有依次串聯(lián)連接的六級配置電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器23A(23B)、晶體管22A(22B)、磁存儲元件12A(12B)、防逆電流二極管13A(13B)、晶體管33和限流電阻器34。因此有必要考慮電壓分配。防逆電流晶體管63A、63B甚至可以用比用于防逆電流二極管13A、13B的低約0.5V的電源電壓驅(qū)動。而且，剩余電壓可以分配給比所述電路的前述六級大幾級的級。因此，可以執(zhí)行更精細(xì)的控制操作。
另外，防逆電流二極管13A、13B可以用圖15所示的防逆電流MOSFET73A、73B代替。在這種情況下，導(dǎo)通的MOSFET的漏極-源極電壓相當(dāng)?shù)汀榇蠹s0.1V。MOSFET的運(yùn)行和效果基本上與防逆電流晶體管63A、63B相同。
附帶指出，這種整流元件可以分別設(shè)置在讀出位線21A、21B和磁存儲元件12A、12B之間，如圖16到18所示。
下一步，當(dāng)從輸入線40A和40B得出的電位差被讀出放大器106B(圖2)差分放大后，可以得到值很大而且信噪比好的輸出。用于各個位向單元讀出電路80(...，80n，80n+1，...)的大量讀出放大器106B在其集電極端串聯(lián)到輸出線51A和51B。從多個位解碼線20中選擇出一個位解碼線20的同時導(dǎo)通晶體管44。因此，與晶體管44對應(yīng)的讀出放大器106B被激活并且只有其集電極輸出被發(fā)送到輸出線51A和51B。
附帶指出，晶體管22A和22B、電阻器23A和23B和讀出放大器106B整體地設(shè)置在一個區(qū)域，所述區(qū)域具有與存儲單元12相同的寬度W。它們的作為差分對的彼此配對的元件在運(yùn)行時具有基本上相同的溫度變化。因此，可以抑制溫度變化引起的輸出值的波動。
最終將通過輸出線51A和51B以及讀出數(shù)據(jù)總線112將讀出放大器106B的輸出提供給輸出緩沖器102B。所述輸出緩沖器102B放大輸入信號電壓并通過外部數(shù)據(jù)端子D0到D7將作為二元電壓信號的放大后的信號電壓輸出。
這樣，在本實施例中，磁存儲元件12A、12B具有環(huán)形磁性層5、使得可以有效地執(zhí)行寫入、同時利用充分校準(zhǔn)的第二磁性層3的磁化方向可靠地寫入信息。另一方面，讀出信息時，校準(zhǔn)的第二磁性層3的在預(yù)定方向上的磁化產(chǎn)生隧道電流值，所述隧道電流值表示磁存儲元件12A(12B)中與相對于第一磁性層1的相對磁化方向一致的清楚的高和低的二元狀態(tài)。因此，可以得到具有高的信噪比的輸出值。
另外，每個存儲單元12由一對磁存儲元件12A和12B構(gòu)成且適合于輸出分別流入磁存儲元件12A和12B的電流之間的差值。因此，排除了與讀出位線21A和21B相關(guān)的噪音。而且，在讀出字線31的接地端設(shè)置恒流電路108B、使得流入讀出電路的讀出電流的總量保持恒定。因此，在讀出位線21A和21B之間電流值的差值總是控制在固定范圍內(nèi)，而不管每個存儲單元1 2中特性的變化。而且，使總電流值標(biāo)準(zhǔn)化到固定值對于抑制每一個讀出位線21A、21B中電流值的波動是有效的，不管配對的磁存儲元件12A和12B之間電阻的變化。因此，可以得到穩(wěn)定的差分輸出、以便提高讀出信號的信噪比。附帶指出，恒流電路108B的晶體管33還具有用于字解碼線30的半導(dǎo)體開關(guān)的功能。因此，從電路設(shè)計上看，所述電路可以比較容易和有利地制造。
另外，可以在每個磁存儲元件12A、12B和讀出字線31之間設(shè)置二極管13A、13B作為單向元件、以便防止電流從讀出字線31回流到磁存儲元件12A、12B。結(jié)果，可以防止連接到共用讀出位線21A和21B或共用讀出字線31的存儲單元12之間和在一個存儲單元12中的磁存儲元件12A和12B之間出現(xiàn)電流通路。因此，阻斷讀出電流漏泄或反饋、以便減小噪音。
而且，在本實施例中，晶體管22A和22B以及電阻器23A和23B同讀出放大器106B一起整體地設(shè)置在讀出放大器106B的電路區(qū)域、以便和讀出放大器106B一起形成差分放大電路并且在彼此靠近的位置上形成配對的電路元件。因此，這些電路元件在相似的溫度條件下被驅(qū)動。因此，抑制了由溫度改變引起的特性變化、使得可以避免所述差分放大電路中的噪音。
如上所述，在本實施例的磁存儲器件中的讀出電路中，抑制了由每個存儲單元12的特性變化引起的噪音和配對的磁存儲元件12A和12B之間電阻的不同引起的噪音。而且，抑制了與數(shù)據(jù)線相聯(lián)系的噪音、讀出放大器106B和其它差分對的特性變化引起的噪音以及從電源電路反饋的外圍電路的噪音。因此，可以提高并大幅度改善讀出信號輸出的信噪比。相應(yīng)地，所述磁存儲元件可以以很小的讀出誤差執(zhí)行穩(wěn)定的操作。而且，由于提高了信噪比因而可以得到大的信號輸出值。因此，即使存儲單元12是大規(guī)模集成的也可以得到有效的輸出，同時可以實現(xiàn)低電流和低電壓驅(qū)動。
附帶指出，通常在磁存儲器件中，為避免很薄的隧道阻擋層在絕緣方面被擊穿，必須使隧道電流流入元件時加在磁存儲元件上的電壓具有合適的值。在本實施例的磁存儲器件中，設(shè)置恒流電路108B來降低隧道電流。因此，可以在把加到隧道阻擋層2的電壓降低到遠(yuǎn)低于其耐電壓的情況下來驅(qū)動磁存儲器件。另外，在本實施例的讀出電路中，從電源Vcc到地線的電流通路具有依次串聯(lián)連接的六級配置電流到電壓轉(zhuǎn)換電阻器23A(23B)、晶體管22A(22B)、磁存儲元件12A(12B)、防逆電流二極管13A(13B)、晶體管33和限流電阻器34。由于電壓分配給那些元件，所以可以將每個磁存儲元件12A(12B)中的電壓降實際上抑制到約0.1-0.3V。在這種情況下，由于使讀出電流恒定的作用，直接從磁存儲元件12A、12B得到的電壓輸出(電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器23A、23B中的電壓降)實際上很弱，但信噪比高。在幾級差分放大電路中放大所述輸出信號，得到最終的輸出。因此可以得到足夠的讀出敏感性。即，磁存儲器件相對于現(xiàn)有技術(shù)用非常弱的隧道電流驅(qū)動各存儲器件、使得可以防止磁存儲元件12A和12B在絕緣方面被擊穿，同時可以得到具有足夠大的值和好的信噪比的信號輸出。
[檢驗讀出放大器放大作用]在類似于本實施例的實際電路(見圖2)中，在讀信息的時候用電流探針在各個測量點測量電流值。測量點是圖19中所示的九個點P1到P9。即測量點P1...晶體管22A的集電極端子測量點P2...晶體管22B的集電極端子測量點P3...晶體管22A的基極端子測量點P4...晶體管22B的基極端子測量點P5...晶體管41A的集電極端子測量點P6...晶體管41B的集電極端子測量點P7...晶體管41A的基極端子測量點P8...晶體管41B的基極端子測量點P9...晶體管41B的集電極端子當(dāng)加到位解碼線20的位解碼電壓值改變時測量電流值。
圖20示出在測量點P1到P4測量的測量結(jié)果。在實際電路中，流入與磁存儲元件12A相連的讀出位線21A的電流相應(yīng)于晶體管22A的發(fā)射極電流，即，晶體管22A的集電極電流和基極電流的總和。從測量結(jié)果可以看出，測量點P1的集電極電流足夠大，可以不考慮測量點P3處的基極電流。因此，可以認(rèn)為在晶體管22A中流過集電極端子的電流基本上等于流過發(fā)射極端子的電流。另外，在晶體管22B的測量點P2的集電極電流和測量點P4的基極電流之間也有類似的關(guān)系?？梢哉J(rèn)為在晶體管22B中流過集電極端子的電流基本上等于流過發(fā)射極端子的電流。
圖21示出在測量點P1到P9測到的結(jié)果(其縱坐標(biāo)的電流值的刻度不同于圖20)。流過電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器23A和23B的電流分流，分別流入作為位陣列選擇開關(guān)的晶體管22A和22B的集電極端子以及作為讀出放大器106B的差分對的晶體管41A和41B的基極端子。而且，晶體管41A和41B的集電極電流和基極電流的總和分別成為其本身的發(fā)射極電流。所述發(fā)射極電流加入公共線，流入晶體管44的集電極端子。
通過放大其基極電流(在測量點P7和P8)得到晶體管41A和41B的集電極電流。從測結(jié)果可以看出，在測量點P5處晶體管41A的集電極電流和測量點P6處晶體管41B的集電極電流之間的差值遠(yuǎn)大于讀出位線21A和21B中原始輸出的電流之間的差值。前面的與后面的電流差值之比在列出的測量數(shù)據(jù)中達(dá)到了200倍。因此可以認(rèn)為借助在此磁存儲元件中的讀出放大器106B放大讀出信號可以得到很大的輸出。
附帶指出，從測量結(jié)果可以看出，在測量點P7和P8處晶體管41A和41B的基極電流非常小。可以注意到，在電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器23A和23B中流過的電流基本上分別等于流入晶體管22A和22B的集電極端子的電流。因此，可以證實在所述讀出電路中，讀出放大器106B確實放大了磁存儲元件12A和12B的電流變化。
下一步，在類似于實施例的實際電路中，從兩方面檢驗相對于磁存儲元件12A(12B)中的電阻變化的讀出信號(電壓)的波動。
首先，在從一個存儲單元12到另一個存儲單元12不同的每個磁存儲元件12A、12B中，在其低電阻時的電阻值(RL)與高電阻時的電阻值(RH)不同的情況下進(jìn)行測量。即，測量來自電阻值RL和RH不同的存儲單元12的讀出電壓的輸出值。此處，改變存儲單元12的電阻值、使得其最大值大約是其最小值的10倍。另一方面，每個存儲單元12中的MR比(RL/RH)固定在25％。
圖22示出測量結(jié)果，其中橫坐標(biāo)表示高電阻時的電阻值RH，縱坐標(biāo)表示用電源電壓Vcc標(biāo)準(zhǔn)化的輸出電壓值。在圖22中，每個空心圓表示電阻值RH是高電阻時來自于磁存儲元件12A(12B)的輸出電壓值，每個十字形表示電阻值RL是低電阻時來自于磁存儲元件12B(12A)的輸出電壓值。而且，測量值用實線連接。虛線示出對比例的結(jié)果，在對比例中，給一對磁存儲元件施加電流并直接讀出磁存儲元件中的電壓降。
從列出的結(jié)果可以明顯看出，在所述實施例的讀出電路中，電阻值RL的磁存儲元件的輸出電壓和電阻值RH的磁存儲元件的輸出電壓分別具有基本固定的值，即使是一個存儲元件12與另一個存儲單元12的電阻值相差很大。因此，可以證明，最終輸出電壓即兩個輸出電壓之間的差值總是固定的，與存儲單元12中的電阻值的變化無關(guān)。如前面在本實施例中所述，這是用于使流入具有不同電阻值RL和RH的磁存儲元件12A和12B的總電流標(biāo)準(zhǔn)化的恒流電路108B的作用。
(對比例)作為與本實施例對比的對比例，在讀出電路中進(jìn)行類似的測量，在所述電路中，給一對磁存儲元件輸入電流，并直接讀出磁存儲元件中的電壓降。圖23示出對比例的等效電路圖。所述讀出電路采用讀出存儲信息的一對磁存儲元件(示為可變電阻器R1和R2)的電壓之間的差值的系統(tǒng)，其中一個磁存儲元件具有高電阻，另一個具有低電阻。配對的磁存儲元件中的每一個與電源和單元選擇半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián)連接，但用于串聯(lián)連接的線之間彼此獨(dú)立。另外，在這種情況下，由于以S和/S的形式直接讀出磁存儲元件中的電壓降，所以不使用電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器。在圖22中用虛線示出測量結(jié)果。如圖所示，在輸入給每個磁存儲元件的電流固定的電路中，磁存儲元件的輸出值與其電阻值成比例地有很大變化。因此，磁存儲元件中的電阻變化直接以波動的形式影響它們的輸出值。
下一步，在從一個存儲單元12到另一個存儲單元12、配對的磁存儲元件12A和12B之間的MR比不同的情況下進(jìn)行測量。此處，改變每個存儲單元12的MR比，固定電阻值RH，改變電阻值RL，測量它們的輸出電壓。
圖24示出了測量結(jié)果，其中橫坐標(biāo)表示MR比(％)，縱坐標(biāo)表示用電源電壓Vcc標(biāo)準(zhǔn)化的輸出電壓值。在圖24中，每個空心圓表示來自于具有電阻值RH的磁存儲元件12A(12B)的輸出電壓值，每個十字形表示來自于具有電阻值RL的磁存儲元件12B(12A)的輸出電壓值。而且，測量值用實線連接。虛線表示基于恒流效果的、關(guān)于每個電阻值RH、RL的電壓的偏移參考值。
從列出的結(jié)果可以看出，在所述實施例的讀出電路中，電阻值RL側(cè)的輸出電壓和電阻值RH側(cè)的輸出電壓隨著MR比降低具有彼此逐漸靠近的趨勢。即，可以認(rèn)為，存儲單元12中的MR比的變化的影響以這種形式出現(xiàn)在它們的電壓輸出中。然而，電阻值RL側(cè)的輸出電壓和電阻值RH側(cè)的輸出電壓分別在固定范圍內(nèi)，基準(zhǔn)值就在所述固定范圍之間。在這種情況下，當(dāng)MR比不低于約15％時，兩個輸出電壓之間的差值足以滿足輸出。因此，與在同樣的電路中沒有提供恒流電路相比，降低了出現(xiàn)讀出誤差的可能性。
通常對于具有這種配置的電路來說，可以注意到，由于流過磁存儲元件12A和12B的電流總量總是固定的，所以電流值始終按照當(dāng)時的元件電阻的比值、為總值的對稱的上下各一半的值。圖24中用虛線表示的偏移參考值正是總值的一半的電壓。因此，偏移參考值的位置不變，除非電流總量改變。相應(yīng)地，當(dāng)用作讀出放大器106B執(zhí)行差分放大操作的閾電壓的電壓值與偏移參考值一致時，可以從讀出放大器106B得到具有合適值的電壓輸出。這也是加入恒流電路的效果。
附帶指出，本發(fā)明不限于所述實施例和實例，它可以以各種各樣的修改的形式實施。例如，盡管本實施例示出了用雙極晶體管作為開關(guān)元件，如讀出放大器106B、恒流電路108B和晶體管22A和22B的情況，但是，也可以用半導(dǎo)體器件代替，如CMOS(互補(bǔ)式MOS)。
附帶指出，只有在使用各自具有環(huán)形磁性層的一對磁阻元件存儲一個單元的信息時，才可以實施根據(jù)本發(fā)明的磁存儲器件。其寫入/讀出系統(tǒng)不限于本發(fā)明。例如，可以在一對磁阻元件中存儲同一個信息。在這種情況下，通常情況下只從一個元件中讀取信息，發(fā)生讀出誤差時才從另外一個元件中讀取。這樣，對于每個信息單元來說，可以使用兩個元件。因此，與在一個信息單元對應(yīng)于一個元件的情況下使用的磁存儲器件相比，根據(jù)本發(fā)明的磁存儲器件在可應(yīng)用的寫入和讀出方法方面具有更高的自由度。
如前所述，在本實施例中，TMR元件用于磁存儲元件12，作為每個都包括疊層結(jié)構(gòu)的磁阻器件，電流以垂直于疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的方向流向疊層結(jié)構(gòu)。但是，TMR元件可以用CPP-GMR元件代替。
另外，對于本發(fā)明的恒流電路，構(gòu)成每個存儲單元的一對磁阻元件的元件結(jié)構(gòu)并沒有特別的限制。恒流電路可以廣泛地應(yīng)用于執(zhí)行所謂差分讀出操作的磁存儲器件。即，成對的磁阻元件中的每一個不必具有與本實施例中描述的磁存儲元件12相同的結(jié)構(gòu)。例如，所述磁阻元件可以設(shè)計成沒有環(huán)形磁性層5，而讀出檢測引線連接到疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層結(jié)構(gòu)具有按順序?qū)盈B的第一磁性層1、非磁性層2和作為磁敏層的第二磁性層。這樣，使電流垂直于疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面流入磁阻元件，從而讀出信息。此外，成對的磁阻元件可以是每個都包括電流以平行于疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的方向流入其中的疊層結(jié)構(gòu)的磁阻元件(CIP(Current Flows in the Plane)-GMR)。至于布線結(jié)構(gòu)，讀出線和寫入線都沒有特別的限制，除了多個存儲單元連接到單向讀出線(第二讀出線)。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的恒流電路執(zhí)行相同的操作并產(chǎn)生相同的效果。
而且，盡管本實施例中示出了對應(yīng)于一對第一讀出線設(shè)置讀出位線21A和21B而對應(yīng)于第二讀出線設(shè)置讀出字線31的情況，但在本發(fā)明中的第一和第二讀出線的布線方向不限于本實施例。對應(yīng)關(guān)系可以反轉(zhuǎn)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的磁存儲器件包括多個第一寫入線；多個第二寫入線，它們延伸而分別與多個第一寫入線交叉；和多個磁阻元件，每個磁阻元件包括疊層結(jié)構(gòu)和設(shè)置在疊層結(jié)構(gòu)的一個表面上的環(huán)形磁性層，疊層結(jié)構(gòu)包括其磁化方向按照外磁場變化的磁敏層，電流可以在垂直于疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的方向流動，環(huán)形磁性層的軸向沿著層疊表面且被第一和第二寫入線穿過；其中，每個存儲單元包括一對磁阻元件。相應(yīng)地，在寫入的同時，磁敏層的磁化可以通過環(huán)形磁性層的操作有效地反轉(zhuǎn)。而且，用兩個磁阻元件存儲一個單元的信息。因此，可以有效并準(zhǔn)確地寫入信息，同時可以向?qū)懭胄畔⒌南到y(tǒng)和讀出信息的系統(tǒng)提供自由度。
更具體地說，可以這樣設(shè)計磁存儲器件、使得在每個存儲單元中從一對第一讀出線向一對磁阻元件提供讀出電流并根據(jù)所述一對讀出電流之間的差值從存儲單元中讀取信息。因此，由于差分地輸出讀出電流，消除了在各個第一讀出線或包含在每個磁阻元件的輸出值中的任何偏移成分中產(chǎn)生的噪音。這導(dǎo)致在讀出的同時具有優(yōu)良的寫入效率和高信噪比。因此，可以得到大的信號輸出。
另外，所述磁存儲器件還可以包括整流元件和第二讀出線，整流元件設(shè)置在輸送到一對磁阻元件的讀出電流的電流通路上，第二讀出線用于使流過所述一對磁阻元件的讀出電流流到地線。誒略中情況下，通過整流元件，可以防止電流從連接到待讀取的存儲單元共用的第二讀出線的其它存儲單元回流到每一個待讀取的存儲單元。因此，可以防止每個讀出電流的部分分量從正常通路漏泄或反饋到正常通路。因此，可以提高讀出信號輸出的信噪比。
更具體地說，一對這種整流元件可以分別設(shè)置在輸送到所述一對磁阻元件的讀出電流的電流通路上。這樣，通過整流元件，在存儲單元之間或在連接到共用的第二讀出線的磁阻元件之間，可以防止電流從一個存儲單元或磁阻元件反饋給另一個，或者防止電流流過第一讀出線。因此，可以更有效地防止每個讀出電流的部分分量漏泄或反饋。因此，可以提高讀出信號輸出的信噪比。
另外，所述磁存儲器件還包括具有電流調(diào)節(jié)功能的恒流電路，用于調(diào)節(jié)流過每個存儲單元中的一對磁阻元件的讀出電流的總量。通過恒流電路，控制讀出電流使其在讀出電流的總量總是恒定的狀態(tài)下流動。即，把在每個存儲單元中流動的總電流值標(biāo)準(zhǔn)化，使其為固定值。因此，使磁阻元件之間電阻值的不同引起的成對的磁阻元件中的每一個的輸出值變化保持在固定范圍內(nèi)。相應(yīng)地，磁阻元件的輸出值之間的差值是在固定范圍內(nèi)的值。因此，可以得到穩(wěn)定的差分輸出，即使是讀出電流很微弱，也可以提高讀出信號輸出的信噪比。
而且，第二半導(dǎo)體開關(guān)對、電流至電壓轉(zhuǎn)變電阻器對和讀出放大電路可以整體地設(shè)置在同一個區(qū)域。每對元件具有基本上相同的環(huán)境溫度，因為它們被布置成彼此靠近。因此，防止產(chǎn)生驅(qū)動元件時的溫度變化引起的成對元件之間在特征值上的差距。這樣，可以保證這些電路執(zhí)行適當(dāng)?shù)牟罘植僮?。因此可以防止產(chǎn)生信號噪音。
根據(jù)本發(fā)明的在磁存儲器件上寫入的方法是在包括下列組成的磁存儲器件上寫入的方法，所述磁存儲器件包括多個第一寫入線；多個第二寫入線，它們延伸而分別與多個第一寫入線交叉；和多個磁阻元件，每個磁阻元件包括疊層結(jié)構(gòu)和設(shè)置在疊層結(jié)構(gòu)的一個表面上的環(huán)形磁性層，疊層結(jié)構(gòu)包括其磁化方向按照外磁場變化的磁敏層，電流可以在垂直于疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的方向流動，環(huán)形磁性層的軸向沿著層疊表面且被第一和第二寫入線穿過；每個存儲單元包括一對磁阻元件；所述方法包括將信息寫入到存儲單元的步驟，在此步驟中，由于流經(jīng)穿過環(huán)形磁性層的第一和第二寫入線的電流產(chǎn)生磁場，改變磁阻元件對中磁阻層的磁化方向，使其彼此逆平行。因此，當(dāng)成對的磁阻元件中磁阻層的磁化方向變成彼此逆平行時，也就是說，變成面對面或背對背時，就在磁阻元件中寫入了二元信息。因而，由于在每個都包括環(huán)形磁性層的磁阻元件中執(zhí)行寫入操作，可以有效并準(zhǔn)確地寫入信息。同時，可以向?qū)懭胄畔⒌南到y(tǒng)和讀出信息的系統(tǒng)提供自由度。而且，用這種方法寫入的信息準(zhǔn)確。因此，讀出信息時，可以得到高信噪比的輸出信號。
另外，從根據(jù)本發(fā)明的磁存儲器件中讀出的方法是從包括下列組成的磁存儲器件中讀出的方法，所述磁存儲器件包括多個第一寫入線；多個第二寫入線，它們分別延伸至與多個第一寫入線交叉；和多個磁阻元件，每個磁阻元件包括疊層結(jié)構(gòu)和設(shè)置在疊層結(jié)構(gòu)的一個表面上的環(huán)形磁性層，疊層結(jié)構(gòu)包括其磁化方向按照外磁場變化的磁敏層，電流可以在垂直于疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的方向流動，環(huán)形磁性層的軸向沿著層疊表面且被第一和第二寫入線穿過；每個存儲單元包括一對磁阻元件；所述方法包括下列步驟在垂直于磁阻元件的疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的方向分別向磁阻元件對提供讀出電流；根據(jù)流過疊層結(jié)構(gòu)的電流從存儲單元讀取信息。利用以下現(xiàn)象、根據(jù)流入一部分磁阻元件疊層結(jié)構(gòu)的讀出電流的值來讀取以磁敏方向的磁化方向的形式存儲的預(yù)定信息，所述現(xiàn)象是在垂直于其層的表面的方向上分別向成對的磁阻元件的磁敏層的層表面施加的電流值之間的差值與磁敏層彼此之間的相對的磁化方向一致地出現(xiàn)。因此，可以提供較高的讀取自由度。
根據(jù)本發(fā)明的另一磁存儲器件包括多個第一寫入線；多個第二寫入線，它們延伸而分別與多個第一寫入線交叉；多個磁阻元件，每個磁阻元件包括包含其磁化方向可按照外磁場變化的磁敏層的疊層結(jié)構(gòu)；每個存儲單元包括一對磁阻元件；一對讀出線，用于向存儲元件的所述一對磁阻元件分別提供讀出電流；讀出電路，用于根據(jù)一對讀出電流的值之間的差值從存儲單元讀取信息，所述一對讀出電流分別通過所述一對讀出線提供給所述一對磁阻元件；和恒流電路，所述恒流電路具有調(diào)節(jié)流過每個存儲單元的一對磁阻元件的讀出電流的總量的電流調(diào)節(jié)功能。每個存儲單元由一對磁阻元件構(gòu)成，根據(jù)在成對的磁阻元件中流動的讀出電流對之間的差值讀出信息。那時，通過恒流電路調(diào)節(jié)流過成對的磁阻元件的讀出電流的總量，使得磁阻元件之間的電阻差別引起的讀出電流的變化保持在固定范圍內(nèi)。因此，可以得到穩(wěn)定的差分輸出，并提高讀出信號輸出的信噪比。
權(quán)利要求
1.一種磁存儲器件，它包括多個第一寫入線；多個第二寫入線，它們延伸而分別與所述多個第一寫入線交叉；以及多個磁阻元件，每個磁阻元件包括疊層結(jié)構(gòu)和環(huán)形磁性層，所述疊層結(jié)構(gòu)包括其磁化方向可以按照外磁場變化并且適合于使電流可以在垂直于所述疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的方向流動的磁敏層，所述環(huán)形磁性層這樣設(shè)置在所述疊層結(jié)構(gòu)的一個表面上、使得其軸向沿著所述層疊表面且適合于被所述第一和第二寫入線穿過；其中，每個存儲單元制作成包括一對所述磁阻元件。
2.如權(quán)利要求1所述的磁存儲器件，其特征在于所述磁敏層和所述環(huán)形磁性層電連接。
3.如權(quán)利要求1所述的磁存儲器件，其特征在于由于由分別流經(jīng)穿過所述環(huán)形磁性層的所述第一和第二寫入線的電流產(chǎn)生的磁場的緣故所述一對磁阻元件的所述磁敏層的所述磁化方向變成彼此逆平行，因而按照所述第一或第二狀態(tài)把信息存儲在所述存儲單元中。
4.如權(quán)利要求3所述的磁存儲器件，其特征在于使所述存儲單元處于第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之一，所述第一狀態(tài)是所述一對磁阻元件中的一對磁敏層中的一個磁敏層在第一方向上磁化而另外一個則在與所述第一方向逆平行的第二方向上磁化，而所述第二狀態(tài)是所述一對磁敏層中的一個磁敏層在所述第二方向上磁化而另外一個在所述第一方向上磁化，因而按照所述第一或第二狀態(tài)把信息存儲在所述存儲單元中。
5.如權(quán)利要求1所述的磁存儲器件，其特征在于還包括一對第一讀出線，它們分別連接到所述一對磁阻元件并且用來向所述磁阻元件提供讀出電流；其中，按照流入每個所述疊層結(jié)構(gòu)的電流而從所述存儲單元中讀取信息。
6.如權(quán)利要求5所述的磁存儲器件，其特征在于按照分別從所述一對讀出線輸送到所述一對磁阻元件的一對讀出電流值之間的差值而從所述存儲單元讀出信息。
7.如權(quán)利要求6所述的磁存儲器件，其特征在于還包括設(shè)置在輸送到所述一對磁阻元件的所述讀出電流的電流通路上的整流元件；以及用于將流過所述一對磁阻元件的所述讀出電流引入到地線的第二讀出線。
8.如權(quán)利要求7所述的磁存儲器件，其特征在于在分別輸送到所述一對磁阻元件的所述讀出電流的電流通路上設(shè)置一對所述整流元件。
9.如權(quán)利要求8所述的磁存儲器件，其特征在于所述一對整流元件分別設(shè)置在所述一對第一讀出線和所述一對磁阻元件之間。
10.如權(quán)利要求8所述的磁存儲器件，其特征在于所述一對整流元件分別設(shè)置在所述一對磁阻元件和所述一對第二讀出線之間。
11.如權(quán)利要求7所述的磁存儲器件，其特征在于從以下一組元件中選擇所述整流元件肖特基二極管、PN結(jié)二極管、雙極晶體管和MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)晶體管。
12.如權(quán)利要求6所述的磁存儲器件，其特征在于還包括具有電流調(diào)節(jié)功能的恒流電路，用于調(diào)節(jié)流過每個存儲單元的一對磁阻元件的讀出電流的總量。
13.如權(quán)利要求12所述的磁存儲器件，其特征在于利用帶隙基準(zhǔn)來布置所述恒流電路。
14.如權(quán)利要求12所述的磁存儲器件，其特征在于利用二極管、晶體管和電阻器的組合來布置所述恒流電路。
15.如權(quán)利要求14所述的磁存儲器件，其特征在于所述恒流電路中的所述晶體管不僅具有所述電流調(diào)節(jié)功能而且具有用于選擇是否允許所述讀出電流流入所述一對磁阻元件的第一半導(dǎo)體開關(guān)的功能。
16.如權(quán)利要求12所述的磁存儲器件，其特征在于所述恒流電路設(shè)置在所述第二讀出線和地線之間。
17.如權(quán)利要求6所述的磁存儲器件，其特征在于還包括一對電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器，它們分別設(shè)置在所述一對第一讀出線和電源之間。
18.如權(quán)利要求17所述的磁存儲器件，其特征在于所述電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器中每一個的電阻值大于所述磁阻元件中每一個的電阻值。
19.如權(quán)利要求17所述的磁存儲器件，其特征在于還包括為每一對所述第一讀出線設(shè)置的讀出放大電路，所述讀出放大電路用于以電壓差的形式檢測和放大在所述第一讀出線中流動的讀出電流之間的差值；其中，在與所述電源相對的一端上所述一對電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器的端子分別連接到所述讀出放大電路的輸入端子。
20.如權(quán)利要求19所述的磁存儲器件，其特征在于還包括一對第二半導(dǎo)體開關(guān)，它們設(shè)置在所述一對電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器中與所述電源相對的一端、用于選擇是否分別向所述一對磁阻元件提供所述讀出電流；其中，所述一對第二半導(dǎo)體開關(guān)、所述一對電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器和所述讀出放大器電路整體地布置在同一個區(qū)域中。
21.如權(quán)利要求20所述的磁存儲器件，其特征在于所述一對第二半導(dǎo)體開關(guān)、所述一對電流至電壓轉(zhuǎn)換電阻器和所述讀出放大器分別形成對稱電路。
22.一種用于在磁存儲器件上寫入的方法，所述磁存儲器件包括多個第一寫入線；多個第二寫入線，它們延伸而分別與所述多個第一寫入線交叉；和多個磁阻元件，每個磁阻元件包括疊層結(jié)構(gòu)和環(huán)形磁性層，所述疊層結(jié)構(gòu)包括其磁化方向可隨外磁場變化的磁敏層、電流可以在垂直于所述疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的方向流動，所述環(huán)形磁性層這樣設(shè)置在所述疊層結(jié)構(gòu)的一個表面上、以便具有沿著所述層疊表面的軸向并且適合于被第一和第二寫入線穿過；每個存儲單元制作成包括一對所述磁阻元件；所述方法包括下列步驟采用以下方法將信息寫入所述存儲單元由于由流經(jīng)穿過所述環(huán)形磁性層的所述第一和第二寫入線的電流產(chǎn)生的磁場的緣故，將所述一對磁阻元件中所述磁敏層的所述磁化方向改變?yōu)楸舜四嫫叫小?br> 23.一種用于從磁存儲器件讀出的方法，所述磁存儲器件包括多個第一寫入線；多個第二寫入線，它們延伸而分別與所述多個第一寫入線交叉；和多個磁阻元件，每個磁阻元件包括疊層結(jié)構(gòu)和環(huán)形磁性層，所述疊層結(jié)構(gòu)包括其磁化方向隨外磁場變化的磁敏層、電流可以在垂直于所述疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的方向流動，所述環(huán)形磁性層這樣設(shè)置在疊層結(jié)構(gòu)的一個表面上、使得其軸向沿著所述層疊表面并且適合于被第一和第二寫入線穿過；每個存儲單元制作成包括一對所述磁阻元件；所述方法包括以下步驟沿著垂直于所述磁阻元件的疊層結(jié)構(gòu)的層疊表面的方向分別向所述一對磁阻元件提供讀出電流；以及按照流過所述疊層結(jié)構(gòu)的電流從所述存儲單元讀出信息。
24.如權(quán)利要求23所述的從磁存儲器件讀出信息的方法，其特征在于按照分別提供給所述一對磁阻元件的所述一對讀出電流值之間的差值從所述存儲單元讀出信息。
25.一種磁存儲器件，它包括多個第一寫入線；多個第二寫入線，它們延伸而分別與所述多個第一寫入線交叉；多個磁阻元件，每個磁阻元件包括包含其磁化方向可按照外磁場變化的磁敏層的疊層結(jié)構(gòu)；每個存儲單元制作成包括一對所述磁阻元件；一對讀出線，用于分別向所述存儲元件的所述一對磁阻元件提供讀出電流；讀出電路，用于按照分別通過所述一對讀出線提供給所述一對磁阻元件的一對所述讀出電流的值之間的差值從所述存儲單元讀取信息；以及恒流電路，所述恒流電路具有用于調(diào)節(jié)流過每個存儲單元的一對磁阻元件的讀出電流的總量的電流調(diào)節(jié)功能。
26.如權(quán)利要求25所述的磁存儲器件，其特征在于以二極管、晶體管和電阻器的組合的形式來布置所述恒流電路，所述晶體管不僅具有所述電流調(diào)節(jié)功能而且具有作為半導(dǎo)體開關(guān)用于選擇是否允許所述讀出電流流入所述一對磁阻元件的功能。
全文摘要
每個存儲單元由一對磁存儲元件構(gòu)成。所述磁存儲元件分別通過一對防逆電流二極管使其一端連接到讀出位線而使其另一端連接到讀出字線。在讀出字線的接地端設(shè)置恒流電路。所述恒流電路具有固定流過讀出字線的電流的功能并且由恒壓發(fā)生二極管、晶體管和限流電阻器構(gòu)成。
文檔編號G11C11/02GK1497601SQ03164878
公開日2004年5月19日 申請日期2003年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月25日
發(fā)明者江崎城一朗, 柿沼裕二, 古賀啟治, 二, 治 申請人:Tdk株式會社