專利名稱：具有接地寫位線和電隔離讀位線的mram體系結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁阻隨機訪問存儲器(MRAM)，并且更具體地涉及用于MRAM的體系結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在包括MRAM在內(nèi)的任意的存儲器類型中，不斷地希望減小存儲器的大小并且提高性能。性能的一個重要方面是存儲器被讀和編程(寫)的速度。速度的限制包括諸如位單元的性能和貫穿陣列的連線的電容等。已經(jīng)開發(fā)了各種技術(shù)以便改進這些特性。例如，存儲器陣列通常被分為子陣列，從而沒有單個連線是過度電容性的。這還可以減小功率消耗。在MRAM中已經(jīng)開發(fā)了這種技術(shù)以便通過將單元收集到單元組中減小位線的電容。全局位線僅被有選擇地連接到被選擇的地。這種連接具有減小被連接到全局位線的存儲器單元的數(shù)目的有益效果。
MRAM存儲器需要磁隧道接合之上和之下的金屬線中的電流以便產(chǎn)生將數(shù)據(jù)寫入位單元中的磁場。該磁場改變磁隧道接合中的磁材料的極性，從而改變位單元的狀態(tài)，并且因此改變所述隧道接合的電阻。傳導被用于為MRAM單元產(chǎn)生磁場的電流的金屬線相對于磁隧道接合的放置影響所希望的磁場的特性。然而，用于對單元進行分組以便改進讀效率的技術(shù)涉及所述隧道接合和被用于寫所述單元的其它金屬線之間的附加的金屬線。附加的金屬線使得被用于寫所述單元的金屬線遠離所述隧道接合，從而減小了寫效率。因此，以這種技術(shù)，讀速度中的改善被寫效率的下降抵消了。然而，MRAM希望的是一種通用的存儲器，它可以具有高速度并且是非易失的。


參考下面的附圖從本發(fā)明下面詳細的描述中本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會容易地了解本發(fā)明的上述的和其它的以及更詳細的目標和優(yōu)點圖1是磁阻隨機訪問存儲器器件的簡化的截面圖；圖2是具有字和位線的磁阻隨機訪問存儲器器件的簡化的截面圖；圖3是示出了在磁阻隨機訪問存儲器器件中產(chǎn)生直接或觸發(fā)寫模式的磁場幅值組合模擬的圖；圖4是示出了當都被導通時字電流和位電流的時序圖的圖；圖5是示出了當將“1”寫為“0”時，對于觸發(fā)寫模式，磁阻隨機訪問存儲器器件的磁矩矢量的旋轉(zhuǎn)的圖；圖6是示出當將“0”寫為“1”時，對于觸發(fā)寫模式，磁阻隨機訪問存儲器器件的磁矩矢量的旋轉(zhuǎn)的圖；圖7是示出當將“1”寫為“0”時，對于直接寫模式，磁阻隨機訪問存儲器器件的磁矩矢量的旋轉(zhuǎn)的圖；圖8是示出當將“0”寫為已經(jīng)是“0”的狀態(tài)時，對于直接寫模式，磁阻隨機訪問存儲器器件的磁矩矢量的旋轉(zhuǎn)的圖；圖9是示出當僅有位電流被導通時，字電流和位電流的時序圖的圖；圖10是示出當僅有位電流被導通時，磁阻隨機訪問存儲器器件的磁矩矢量的旋轉(zhuǎn)的圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的實施例的觸發(fā)存儲器的方框圖；圖12是圖11的存儲器部分的更詳細的圖；圖13是有助于理解圖11的存儲器的操作的時序圖；圖14是圖11的存儲器的部分的電路圖，示出了該發(fā)明性體系結(jié)構(gòu)的實施例；圖15是被用于圖14的體系結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)的存儲器單元的第一橫截面圖；和圖16是圖15的存儲器單元的第二橫截面圖。
具體實施例方式
存儲器體系結(jié)構(gòu)使用分離的字線用于讀和寫操作，以及分離的位線用于讀和寫操作。這些特性提供了更小的寫驅(qū)動器區(qū)域并且因此存儲器核心的更小的平均位大小的益處。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1，它示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的MRAM陣列3的簡化的截面圖。在這個圖示中，僅示出了單個磁阻存儲器器件10，但是應當理解，MRAM陣列3包括若干MRAM器件10，并且我們?yōu)榱嗣枋鰧懛椒ǖ暮啽悖瑑H示出了一個這種器件。
MRAM器件10包括寫字線20和寫位線30。寫字線20和寫位線30包括傳導性材料，從而可以傳導電流。在這個圖示中，寫字線20被定位于MRAM器件10的頂部，并且寫位線30被定位于MRAM器件10的底部并且與字線20成90°(見圖2)?？商鎿Q地，寫字線20可以被定位于MRAM器件10的底部，并且寫位線30可以被定位于MRAM器件10的頂部。
MRAM器件10包括由第一磁性區(qū)域15，隧道效應擋板16和第二磁性區(qū)域17組成的隧道接合，其中隧道效應擋板16被夾在第一磁性區(qū)域15和第二磁性區(qū)域17之間。在優(yōu)選實施例中，第一磁性區(qū)域15包括三層結(jié)構(gòu)18，該三層結(jié)構(gòu)18具有在兩個鐵磁性層45和55之間的抗鐵磁性連接隔板層65?？硅F磁性連接隔板層65具有厚度86，并且鐵磁性層45和55分別具有厚度41和51。此外，磁性區(qū)域17具有三層結(jié)構(gòu)19，三層結(jié)構(gòu)19具有兩個鐵磁性層46和56之間的抗鐵磁性連接隔板層66?？硅F磁性連接隔板層66具有厚度87，并且鐵磁性層46和56分別具有厚度42和52。
一般地，抗鐵磁性連接隔板層65和66包括元素Ru，Os，Re，Cr，Rh，Cu中的至少一種或它們的組合。此外鐵磁性層45，55，46和56包括元素Ni，F(xiàn)e，Mn，Co中的至少一種或它們的組合。還應當理解，磁性區(qū)域15和17可以包括合成抗鐵磁層(SAF)材料結(jié)構(gòu)而不是三層結(jié)構(gòu)，并且這個實施例中使用三層結(jié)構(gòu)只是為了說明目的。例如，一種這種合成抗鐵磁層材料結(jié)構(gòu)可以包括鐵磁層/抗鐵磁連接隔板層/鐵磁層/抗鐵磁連接隔板層/鐵磁層結(jié)構(gòu)的五層堆。
鐵磁性層45，55中的每個分別具有磁矩矢量57和53，通過抗鐵磁連接隔板層65的連接，它們通常保持反向平行。同樣，磁性區(qū)域15具有合成磁矩矢量40，并且磁性區(qū)域17具有合成磁矩矢量50。合成磁矩矢量40和50被沿著與寫字線20和寫位線30成一個角度(優(yōu)選地為45°)的各向異性的易磁化軸被定向(見圖2)。此外，磁性區(qū)域15是一個自由鐵磁性區(qū)域，其含義是合成磁矩矢量40在出現(xiàn)被施加的磁場時可以自由旋轉(zhuǎn)。磁性區(qū)域17是固定鐵磁區(qū)域，其含義是在出現(xiàn)適度被施加的磁場時合成磁矩矢量50不能自由旋轉(zhuǎn)，并且被用作參考層。
雖然在每個三層結(jié)構(gòu)18中的兩個鐵磁層之間示出了抗鐵磁連接隔板層，應當理解所述鐵磁層可以通過其它方式(諸如靜磁場或其它裝置)被抗鐵磁地連接。例如，當單元的長寬比被減小到5或更小時，由于靜磁磁通閉合(magnetostatic flux closure)鐵磁層被反向平行地連接。
在優(yōu)選實施例中，MRAM器件10具有三層結(jié)構(gòu)18，所述三層結(jié)構(gòu)18具有長/寬比范圍為1到5的非圓平面。然而，我們給出了一個圓形的平面(見圖2)。在優(yōu)選實施例中MARM器件10具有圓形形狀，以便最小化由于形狀各向異性對轉(zhuǎn)換場的貢獻，并且還因為它更容易使用光刻工藝橫向地將該器件調(diào)節(jié)為更小的尺寸。然而應當理解，MRAM器件10可以具有其它形狀，諸如正方形，橢圓形，矩形或菱形，但是為了簡單起見被以是圓形舉例說明。
此外，在MRAM陣列3的制造過程中，每個相繼層(即30，55，65等)被沉積或順序地形式，并且每個MARM器件10可以被以選擇性沉積，光刻工藝，蝕刻等由半導體工業(yè)公知的任何技術(shù)定義。在至少鐵磁層45和55的沉積過程中，提供一個磁場以便為這個對設置優(yōu)選的易磁化軸(感生各向異性)。被提供的磁場為磁矩矢量53和57建立優(yōu)選的各向異性軸。如前面說明的，該優(yōu)選的軸被選擇為位于寫字線20和寫位線30之間的45°處。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2，它示出了根據(jù)本發(fā)明的MRAM陣列3的簡化的平面圖。為了簡化對MRAM器件10的說明，所有方向?qū)⒁允境龅膞和y軸系統(tǒng)100以及順時針旋轉(zhuǎn)的方向94和逆時針旋轉(zhuǎn)的方向96為基準。為了進一步簡化描述，還假設N等于2，從而MRAM器件10在區(qū)域15內(nèi)包括一個具有磁矩矢量53和57以及合成磁矩矢量40的三層結(jié)構(gòu)。再有，僅給出了區(qū)域15的磁矩矢量，因為它們將被轉(zhuǎn)換。
為了說明寫方法如何工作，假設磁矩矢量53和57的優(yōu)選的各向異性軸相對于負x和負y方向定向于45°角，并且相對于正x和正y方向定向于45°角。作為例子，圖2示出了相對于負x和負y方向定向于45°角的磁矩矢量53。因為磁矩矢量57一般朝向磁矩矢量53的逆向，它相對于正x和正y方向定向于45°角。如前所述，這種初始定向?qū)⒈挥糜谑境鰧懛椒ǖ睦印?br> 在優(yōu)選實施例中，寫字電流60被定義如果流入正x方向則為正，并且寫位電流70被定義為如果流入正y方向則為正。寫字線20和寫位線30的用途是在MRAM10內(nèi)建立磁場。正的寫字電流60將感應圓周寫字磁場Hw80，并且正的寫位電流70將感應圓周寫位磁場Hb90。因為在這個例子中寫字線20在該元件的平面內(nèi)位于MRAM器件10之上，對于正的寫字電流60，Hw80將被在正y方向上施加于MRAM器件10。類似地，因為寫位線30在該元件的平面內(nèi)位于MRAM器件10之下，對于正的寫位電流70，Hb90將被在正x方向上施加于MRAM器件10。應當理解正和負電流的定義是任意的，并且此處的定義僅用于說明目的。反轉(zhuǎn)所述電流的影響是將改變MRAM器件10內(nèi)感應磁場的方向。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員電流感應的磁場的行為是公知的，并且此處將不再進一步詳細描述。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，它示出了SAF三層結(jié)構(gòu)的模擬的轉(zhuǎn)換行為。所述模擬包括兩個單域磁層，它們以固有的各向異性近似地具有相同的磁矩(近似平衡的SAF)，它們被抗鐵磁性地連接，并且它們的磁動力學被以Landau-Lifshitz等式描述。X軸是以奧斯特表示的寫字線磁場幅值，并且y軸是以奧斯特表示的寫位線磁場幅值。所述磁場被以圖4中示出的脈沖序列100施加，其中脈沖序列100包括是時間的函數(shù)的寫字電流60和寫位電流70。
圖3中示出了三個操作區(qū)域。在區(qū)域92，沒有轉(zhuǎn)換。對于操作于區(qū)域95中的MRAM，實行直接寫方法。當使用直接寫方法時，沒有必要確定MRAM器件的初始狀態(tài)，因為如果將被寫的狀態(tài)與被存儲的狀態(tài)不同，狀態(tài)只是被轉(zhuǎn)換。對寫狀態(tài)的選擇由寫字線20和寫位線30兩者中的電流的方向確定。例如，如果希望寫“1”，則該兩種線中的電流的方向?qū)檎Ｈ绻?”已經(jīng)被存儲在該元件中，則MRAM器件的最終狀態(tài)將繼續(xù)為“1”。此外，如果“0”被存儲，并且“1”將被以正電流寫入，則MRAM器件的最終狀態(tài)將是“1”。當通過在寫字線和寫位線兩者中使用負電流寫“0”時，獲得類似的結(jié)果。因此，不論其初始狀態(tài)如何，任一狀態(tài)可以被以電流脈沖的適當極性編程為所希望的“1”或“0”。在整個本公開中，區(qū)域95中的操作將被定義為“直接寫模式”。
對于區(qū)域97內(nèi)的MRAM操作，實行觸發(fā)寫方法。當使用觸發(fā)寫方法時，因為不論電流的方向如何，只要為寫字線20和寫位線30兩者選擇極性相同的電流脈沖，每次MRAM器件被寫時狀態(tài)都被轉(zhuǎn)換，所以在寫之前需要確定MRAM器件的初始狀態(tài)。例如，如果“1”最初被存儲，則在一個正電流脈沖系列被流過寫字線和寫位線之后，該器件的狀態(tài)將被轉(zhuǎn)換為“0”。在被存儲的“0”狀態(tài)上重復該正電流脈沖序列，將使其返回到“1”。因此，為了能夠在存儲器元件中寫入所希望的狀態(tài)，MRAM器件10的初始狀態(tài)必須首先被讀，并且與將被寫的狀態(tài)比較。所述的讀和比較可能需要附加的邏輯電路，包括用于存儲信息的緩沖區(qū)和用于比較存儲器狀態(tài)的比較器。然后僅在如果被存儲的狀態(tài)和將被寫的狀態(tài)不同時，MRAM器件10被寫。這種方法的一個優(yōu)點是，功率消耗被降低了，因為僅有不同的位被轉(zhuǎn)換。使用觸發(fā)寫方法的另一優(yōu)點是僅需要單一極性電壓，并且因此，可以使用更小的N溝道晶體管驅(qū)動MRAM器件。在整個本公開中，區(qū)域97中的操作將被定義為“觸發(fā)寫模式”。
兩種寫方法都涉及在寫字線20和寫位線30中提供電流，從而磁矩矢量53和57可以朝向前面所述的兩個優(yōu)選方向中的一個。為了完整地闡述兩種轉(zhuǎn)換模式，現(xiàn)在給出描述磁矩矢量53，57和40的時間演化的特定例子。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖5，它示出了用于使用脈沖序列100將“1”寫為“0”的觸發(fā)寫模式。在這個圖示中，在時刻t0，磁矩矢量53和57朝向圖2中示出的優(yōu)選方向。這個朝向被定義為“1”。
在時刻t1，正寫字電流60被導通，它感應出指向正y方向的Hw80。正Hw80的影響是使得近似平衡的反向排列的MRAM三層“反轉(zhuǎn)”并且變?yōu)榻频爻虮皇┘拥膱龇较虻?0°。鐵磁層45和55之間的有限的抗鐵磁互換作用將允許磁矩矢量53和57現(xiàn)在以一個小的角度向該磁場方向偏轉(zhuǎn)，并且合成磁矩矢量40將對著磁矩矢量53和57之間的角，并且將Hw80對齊。因此，磁矩矢量53被以順時針方向94旋轉(zhuǎn)。因為合成磁矩矢量40是磁矩矢量53和57的矢量和，磁矩矢量57也以順時針方向94旋轉(zhuǎn)。
在時刻t2，正的寫位電流70被導通，它感應出正Hb90。因此，合成磁矩矢量40同時被Hw80指向正y方向和由Hb90指向正x方向，這具有這樣的效果，使得有效磁矩矢量40進一步在順時針方向94上旋轉(zhuǎn)直到它一般地朝向正x方向和正y方向之間的45°角時為止。因此，磁矩矢量53和57也將進一步在順時針方向94上旋轉(zhuǎn)。
在時刻t3，寫字電流60被截止，從而現(xiàn)在只有Hb90引導合成磁矩矢量40，合成磁矩矢量40現(xiàn)在將朝向正x方向。磁矩矢量53和57兩者現(xiàn)在一般地將定向在經(jīng)過了它們的各向異性難磁化軸的不穩(wěn)定點的角。
在時刻t4，寫位電流70被截至，從而磁場力不再作用于合成磁矩矢量40。因此，磁矩矢量53和57將變?yōu)槌蛩鼈冏罱咏膬?yōu)選方向以便最小化異向能。在該情況下，磁矩矢量53的優(yōu)選方向是相對于正y方向和正x方向45°角。這個優(yōu)選方向還與磁矩矢量53在時刻t0的初始方向成180°，并且被定義為“0”。應當理解，通過在寫字線20和寫位線30兩者中使用負電流，MRAM器件10也可以被通過在逆時針方向96上旋轉(zhuǎn)磁矩矢量53，57和40被轉(zhuǎn)換，但是被出于示例說明的目的另外示出。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖6，它示出了使用脈沖序列100將“0”寫為“1”的觸發(fā)寫模式。示出了如前所述的每個時刻t0，t1，t2，t3和t4時的磁矩矢量53和57以及合成磁矩矢量40，示出了以相同的電流和磁場方向?qū)RAM器件10的狀態(tài)從“0”轉(zhuǎn)換到“1”的能力。因此，MRAM器件10的狀態(tài)被以觸發(fā)寫模式寫，這相應于圖3中的區(qū)域97。
對于直接寫模式，假設磁矩矢量53在數(shù)量上大于磁矩矢量57，從而磁矩矢量40指向與磁矩矢量53相同的方向，但是在零場中具有較小的數(shù)量。這種不平衡矩允許偶極能量，它趨于以被施加的場對齊總的矩，以便打破近似平衡SAF的對稱。因此，對于給定的電流極性，轉(zhuǎn)換只能發(fā)生在一個方向上。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖7，它示出了使用脈沖序列100使用直接寫模式將“1”寫為“0”的例子。再次地在此處存儲器狀態(tài)被以相應于負x方向和負y方向指向45°的磁矩矢量53和相對于正x方向和正y方向指向45°磁矩矢量57初始地設定為“1”。以正的寫字電流60和正的寫位電流70，在如上所述的脈沖序列之后，寫以類似于上面所述的觸發(fā)寫模式類似的方式發(fā)生。注意磁矩再次在時刻t1“反轉(zhuǎn)”，但是由于不平衡的磁矩和各向異性，結(jié)果角被從90°傾斜了。在時刻t4之后，MRAM器件10如所希望的已經(jīng)被以朝向正x和正y方向內(nèi)的45°角的合成磁矩矢量40轉(zhuǎn)換為“0”狀態(tài)。當以負寫字電流60和負寫位電流70將“0”寫為“1”時，獲得類似的結(jié)果。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖8，它示出了當新狀態(tài)與已經(jīng)被存儲的狀態(tài)相同時使用直接寫模式寫的例子。在這個例子中，“0”已經(jīng)被存儲在MRAM器件10中，并且現(xiàn)在電流脈沖序列100被重復以便存儲“0”。磁矩矢量53和57試圖在時刻t1“反轉(zhuǎn)”，但是因為不平衡的磁矩必須克服被施加的磁場，旋轉(zhuǎn)被減小了。因此，存在附加的能障以便旋轉(zhuǎn)出反轉(zhuǎn)狀態(tài)。在時刻t2，主導矩53近似地與正x軸對齊，并且與它的初始各向異性方向之間小于45°。在時刻t3，磁場被指向沿著正x軸。不是進一步順時針旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)現(xiàn)在通過相對于被施加的場改變SAF矩的對稱來降低它的能量。被動矩57跨過x軸，并且系統(tǒng)以返回到接近它的初始方向的主導矩53穩(wěn)定下來。因此，在時刻t4當磁場被移去時，被存儲在MRAM器件10中的狀態(tài)將保持為“0”。這個序列說明了圖3中區(qū)域95示出的直接寫模式的機制。因此，在這個約定中，為了寫“0”，需要寫字線60和寫位線70兩者中的正電流，并且相反地，為了寫“1”，需要寫字線60和寫位線70兩者中的負電流。
如果較大的場被施加，最終與反轉(zhuǎn)和交叉(scissor)相關(guān)聯(lián)的能量下降超過了由不平衡矩的偶極能量建立的防止觸發(fā)事件的附加能障。此時，將發(fā)生觸發(fā)事件，并且以區(qū)域97說明該轉(zhuǎn)換。
可以對在其中采用直接寫模式的區(qū)域95進行擴展，即，如果時刻t3和t4相等或被構(gòu)造為盡可能地接近于相等，觸發(fā)模式區(qū)域97可以被移動到更高的磁場。在這個情況下，當寫字電流60導通時，磁場方向從相對于位各向異性軸45°處開始，并且然后當寫位電流70導通時移動到與位各向異性軸平行。這個例子類似于典型的磁場施加順序。然而，現(xiàn)在寫字電流60和寫位電流70大體上同時截至，從而磁場方向不再進一步旋轉(zhuǎn)。因此，被施加的場必須足夠大，從而合成磁矩矢量40已經(jīng)被以導通的寫字電流60和寫位電流70移動到穿過它的難磁化軸不穩(wěn)定點。現(xiàn)在觸發(fā)寫模式事件幾乎不可能發(fā)生，由于磁場方向現(xiàn)在僅被旋轉(zhuǎn)了45°而不是如以前的90°。具有大體上一致的下降時間t3和t4的優(yōu)點是現(xiàn)在沒有對場上升時刻t1和t2的順序的附加約束。因此，磁場可以被以任意的順序?qū)?，或也可以大體上一致地導通。
前面所述的寫方法是具有高度選擇性的，因為僅有在時刻t2和t3之間寫字電流60和寫位電流70兩者被導通的MRAM器件將轉(zhuǎn)換狀態(tài)。這個特征將在圖9和圖10中說明。圖9示出了當寫字電流60沒有導通，并且寫位電流70被導通時的脈沖序列100。圖10示出了MRAM器件10的狀態(tài)的相應行為。在時刻t0，磁矩矢量53和57以及合成磁矩矢量40朝向圖2中所描述的朝向。在脈沖序列100中，寫位電流70被在時刻t1導通。在這個時刻中，Hb90將使得合成磁矩矢量40指向正x方向。
因為寫字電流60從不被接通，合成磁矩矢量53和57從不被旋轉(zhuǎn)過它們的各向異性難磁化軸不穩(wěn)定點。結(jié)果，當寫位電流70在時刻t3被截至時，磁矩矢量53和57將再次將它們自己定向到最接近的優(yōu)選方向，在這個情況下是時刻t0的初始方向。因此，MRAM器件10的狀態(tài)沒有被轉(zhuǎn)換。應當理解，如果寫字電流60在上面所述的類似時刻被導通，并且寫位電流70不被截至，將產(chǎn)生相同的結(jié)果。這個特性確保陣列中只有一個MRAM器件被轉(zhuǎn)換，而其它器件將保持它們的初始狀態(tài)。作為結(jié)果，避免了無意的轉(zhuǎn)換，并且最小化了位錯誤。
圖11示出了存儲器110，包括存儲器陣列112，寫字解碼器114，寫字線驅(qū)動器116，讀字解碼器118，讀字線驅(qū)動器120，一個或多個讀出放大器122，讀位解碼器124，寫位解碼器126，寫位驅(qū)動器128，比較器130，以及輸出驅(qū)動器132。這些元件被多條線路連接在一起。例如，讀位解碼器124接收由多個地址信號構(gòu)成的列地址。存儲器陣列112是可以被以觸發(fā)操作轉(zhuǎn)換的存儲器單元的陣列。用于存儲器陣列112的存儲器單元部分是圖14中示出的存儲器陣列200，它是被以針對圖1的存儲器陣列3所說明的方法寫的MRAM單元陣列，其中寫發(fā)生在第四步的45°角直到達到180°為止。在這個特定的優(yōu)選單元陣列中，存在有用于寫操作和讀操作的分離的字線和位線。
讀字解碼器118接收行地址，并且被連接到讀字線驅(qū)動器120。讀字線驅(qū)動器120又被連接到存儲器陣列112。對于讀，讀字解碼器118基于所述行地址選擇存儲器陣列112中的讀字線。所選擇的字線被讀字線驅(qū)動器120驅(qū)動。讀位解碼器124(它接收所述列地址，并且被連接在讀出放大器122和存儲器陣列112之間)從讀位解碼器124基于所述列地址從存儲器陣列112選擇讀位線，并且將它連接到讀出放大器122。讀出放大器122檢測邏輯狀態(tài)并且將它連接到輸出驅(qū)動器132和比較器130。對于讀，輸出驅(qū)動器132提供了數(shù)據(jù)輸出信號DO。對于寫操作，比較器130對由讀出放大器122提供的被選擇單元的邏輯狀態(tài)與被由數(shù)據(jù)in提供的將被寫的所希望的邏輯狀態(tài)比較。
寫字解碼器114接收所述行地址，并且被連接到寫字線驅(qū)動器116，寫字線驅(qū)動器116又被連接到存儲器陣列112。對于寫，寫字解碼器114基于所述行地址在存儲器陣列112中選擇寫字線，并且寫字線驅(qū)動器又驅(qū)動所選擇的寫字線。寫位解碼器126接收所述列地址，并且被連接到寫位驅(qū)動器128，位驅(qū)動器128被連接到存儲器陣列112。寫位解碼器126基于列地址選擇寫位線，并且寫位驅(qū)動器128又驅(qū)動所選擇的寫位線，以便觸發(fā)所選擇的單元的狀態(tài)。
由于存儲器陣列112是觸發(fā)存儲器，寫觸發(fā)操作僅在所述單元的邏輯狀態(tài)必須被反轉(zhuǎn)以便實現(xiàn)被選擇單元的所希望的結(jié)果邏輯狀態(tài)時才被完成。因此，比較器130從讀出放大器122接收對被選擇單元的讀操作的輸出，并且確定被選擇單元是否已經(jīng)具有所希望的邏輯狀態(tài)。如果由所述行和列地址確定的被選擇單元已經(jīng)具有了所希望的邏輯狀態(tài)，則寫操作被中止。如果被選擇單元的邏輯狀態(tài)與所希望的狀態(tài)不同，則比較器向?qū)懳或?qū)動器128指出寫將被繼續(xù)，并且用于被選擇的寫位線的寫位驅(qū)動器驅(qū)動該被選擇的寫位線。
圖12中示出了圖11的存儲器110的一部分，包括被連接到寫字線WL的寫字線驅(qū)動器116，被連接到寫位線BL的寫位驅(qū)動器128，以及被連接到寫位線BL和寫字線WL交點處的單元134，136，138和140。對于要發(fā)生的寫，電流被提供到被選擇的字線WL，而沒有電流在足夠的時間內(nèi)流過被選擇的寫位線，以便引起沿著所選擇的寫字線的存儲器單元內(nèi)的第一角度的改變。在電流仍然在被選擇的寫字線中流動的同時，電流流過被選擇的寫位線，以便使得所選擇的存儲器單元發(fā)生第二角度的改變。僅在承載電流的寫位線和寫字線的交點處發(fā)生這種第二角度的改變。在電流仍然通過寫位線流動的同時，電流被中止流過所選擇的寫字線，以便引起所選擇的存儲器單元內(nèi)的第三角度的改變。僅在被選擇的寫位線和被選擇的寫字線的交點處發(fā)生這種第三改變。當流過被選擇的寫位線的電流被中止時，發(fā)生被選擇的存儲器單元的第四角度的改變。
存儲器110的寫操作還被參考圖13的時序圖進一步解釋。如圖13中所示，讀操作和寫觸發(fā)操作兩者都由如圖所示的通過啟動讀字線WLA引起的行或列地址的改變發(fā)起。雖然寫不能被執(zhí)行直到已經(jīng)確定邏輯狀態(tài)需要被反轉(zhuǎn)時為止，但是如將被啟動的寫字線表示的，寫周期可以在放大器提供它的輸出并且比較器確定該邏輯狀態(tài)是否需要被反轉(zhuǎn)之前開始。啟動(使得電流流過)寫字線引起被選擇的單元以及沿著被選擇的寫字線的所有單元中的第一角度的改變，但是如果所述電流被中止而沒有啟動寫位線，則這種改變被翻轉(zhuǎn)。
因此被選擇的寫字線可以在比較器做出它的確定之前被啟動，這是因為第一角度的改變簡單地被所述電流的去除反轉(zhuǎn)。必須是這樣，因為被選擇寫字線上的所有單元都經(jīng)歷了第一角度的改變，并且除了一個單元之外的所有單元沒有被選擇。然而僅有被選擇的單元經(jīng)歷第二角度的改變，并且這發(fā)生在寫位線被啟動時。這被示出為發(fā)生在比較器已經(jīng)做出它的希望進行邏輯狀態(tài)改變的決定之后。第一角度改變被示出為從0°到45°，并且第二改變從45°到90°。第三角度改變被示出為發(fā)生在寫字線被禁止時(電流被中止)。這被示出為從90°到135°。示出的最后的角度改變是第四角度改變，并且發(fā)生在寫位線被禁止時。這個角度改變被示出為從135°到180°。
還示出了寫的最后階段可以在發(fā)起另一個周期的下一個地址改變之后繼續(xù)。即使周期是寫周期，該周期的開始總是以讀開始。地址A被改變?yōu)榈刂稡，并且使得讀字線B將被選擇。這不妨礙以前被選擇的單元的寫。這給出了讀字線改變，但是即使如果地址僅是列改變從而被選擇的讀字線不改變，持續(xù)的電流流動不會不利地影響寫的完成。還應注意到，不必在該周期開始時激活寫啟動，因為無論如何所有的周期都以讀操作開始。但是對于將被激活的寫字線，寫啟動信號必須被足夠早地激活。
已經(jīng)針對單個單元被選擇做出了解釋，但是這只是為了易于理解。實際上，通常將選擇若干單元，并且這被在圖11中以元件之間的信號連接指出，所述的信號連接為多信號線。因此，例如，如果存儲器110是x16存儲器，比較器130實際上將做出16個不同的比較，每個比較針對一個被選擇的單元。在這16個比較中，只有指示不匹配的那些將以所述的不匹配引起那些被選擇的單元的寫操作。導致匹配的被選擇的單元將被反轉(zhuǎn)。
圖14中示出了具有接地寫位線和電隔離讀位線的MRAM體系結(jié)構(gòu)200。該MRAM體系結(jié)構(gòu)一般地具有位線和字線形式的寫線的多個交點，其中存儲器單元位于位線和字線的各個交點處。對于每個存儲器單元有一條寫位線和讀位線。類似地，對于每個存儲器單元，有一條寫字線和讀字線。出于說明的目的，圖14包括被標記為WBL0的第一寫位線220，被標記為RBL0的第一讀位線222，被標記為WBL1的第二寫位線224，被標記為RBL1的第二讀位線226。此外，圖14包括被標記為RWL0的第一讀字線230，被標記為WWL0的第一寫字線232，被標記為RWL1的第二讀字線234，被標記為WWL1的第二寫字線236。為了說明方便，示出了4個存儲器單元，雖然應當理解實現(xiàn)了許多存儲器單元。存儲器單元210具有磁阻隧道接合(MTJ)單元260和選擇晶體管261。存儲器單元212具有磁阻隧道接合單元262和選擇晶體管263。存儲器單元214具有磁阻隧道接合單元266和選擇晶體管267。存儲器單元216具有磁阻隧道接合單元268和選擇晶體管269。每個MTJ單元260，262，266和268具有3個傳導路徑，第一或水平傳導路徑，第二或垂直傳導路徑和第三或?qū)蔷€傳導路徑。第一和第二傳導路徑是寫電流傳導路徑，并且第三傳導路徑是感知電流傳導路徑。MTJ單元260的第一傳導路徑的第一端子被通過寫字線232連接到VDD電源電壓端子。Vdd電源端子相對于地為正電壓。MTJ單元260的第一傳導路徑的第二端子被連接到MTJ單元262的第一傳導路徑的第一端子。MTJ單元260的第二傳導路徑的第一端子通過將寫位線220的第一端子連接到地通過寫位線220連接到地端子。MTJ單元260的第二傳導路徑的第二端子被連接到MTJ單元266的第二傳導路徑的第一端子。MTJ單元260的第三傳導路徑的第一端子被連接到選擇晶體管261的第一電流電極或源極。MTJ單元260的第三傳導路徑的第二端子被連接到它的第二傳導路徑的第二端子。選擇晶體管261的第二電流電極或漏極被連接到讀位線222。選擇晶體管261的控制電極或柵極被連接到讀字線230。MTJ單元262的第一傳導路徑的第二端子被通過寫字線232連接到寫行解碼器/驅(qū)動器252，它起字行解碼器和字寫驅(qū)動器的作用。MTJ單元262的第二傳導路徑的第一端子被通過寫位線224連接到地。MTJ單元262的第二傳導路徑的第二端子被通過寫位線224連接到MTJ單元268的第二傳導路徑的第一端子。MTJ單元262的第三傳導路徑的第一端子被連接到選擇晶體管263的第一電流電極或源極。MTJ單元262的第三傳導路徑的第二端子被連接到它的第二傳導路徑的第二端子。選擇晶體管263的第二電流電極或漏極被連接到讀位線226。選擇晶體管263的控制電極或柵極被連接到讀字線230。MTJ單元266的第一傳導路徑的第一端子被通過寫字線236連接到Vdd電源電壓端子。MTJ單元266的第一傳導路徑的第二端子被連接到MTJ單元268的第一傳導路徑的第一端子。MTJ單元266的第二傳導路徑的第二端子被通過寫位線220連接到寫列解碼/驅(qū)動器240，它起位列解碼器和位寫驅(qū)動器的作用。MTJ單元266的第三傳導路徑的第一端子被連接到選擇晶體管267的第一電流電極或源極。MTJ單元266的第三傳導路徑的第二端子被連接到它的第二傳導路徑的第二端子。選擇晶體管267的控制電極或柵極被連接到讀字線234，并且晶體管267的第二電流電極或漏極被連接到讀位線222。MTJ單元268的第一傳導路徑的第二端子被通過寫字線236連接到寫行解碼器/驅(qū)動器256，它起字行解碼器和字寫驅(qū)動器的作用。MTJ單元268的第二傳導路徑的第二端子被通過寫位線224連接到寫列解碼器/驅(qū)動器244，它起位列解碼器和位寫驅(qū)動器的作用。MTJ單元268的第三傳導路徑的第一端子被連接到選擇晶體管269的第一電流電極或源極。MTJ單元268的第三傳導路徑的第二端子被連接到它的第二傳導路徑的第二端子。選擇晶體管269的控制電極或柵極被連接到讀字線234。選擇晶體管269的第二電流電極或漏極被連接到讀位線226。讀行解碼器/驅(qū)動器250被連接到讀字線230。讀行解碼器/驅(qū)動器254被連接到讀字線234。讀列解碼器242的輸入端被連接到讀位線222。該讀列解碼器的輸出被連接到讀出放大器270的第一輸入端。讀列解碼器246的輸入被連接到讀位線226。讀列解碼器246的輸出被連接到讀出放大器270的第二輸入端。讀出放大器270的輸出端被連接到數(shù)據(jù)輸出以便提供數(shù)據(jù)輸出。
在操作中，假設MRAM體系結(jié)構(gòu)200內(nèi)的存儲器單元210上的觸發(fā)寫操作希望觸發(fā)該存儲器單元的狀態(tài)。首先響應解碼存儲器行地址，寫行解碼器/驅(qū)動器252通過寫字線232通過存儲器單元210和212以及其它單元(未示出)從Vdd端子向?qū)懶薪獯a器/驅(qū)動器252內(nèi)的地端子(未示出)施加超過寫閾值的第一電流。然后，在寫行解碼器/驅(qū)動器252保持其電流的同時，響應解碼存儲器列地址，寫列解碼器/驅(qū)動器240通過寫位線220通過存儲器單元210和214以及其它單元(未示出)向地端子施加超過寫閾值的第二電流。然后，在寫列解碼器/驅(qū)動器240保持其電流的同時，寫行解碼器/驅(qū)動器252停止驅(qū)動第一電流。然后，寫列解碼器/驅(qū)動器240停止驅(qū)動第二電流。這種電流順序引起MTJ單元260的狀態(tài)由上面所述的磁場的操作改變。
現(xiàn)在假設MRAM體系結(jié)構(gòu)200內(nèi)的存儲器單元210上的讀操作希望讀該存儲器單元的狀態(tài)。首先，響應解碼存儲器行地址，讀行解碼器/驅(qū)動器250通過升高行字線230的電壓電位以便提升電壓來維持(assert)行字線230。然后選擇晶體管261將MJT單元260的第三電流路徑(通過磁隧道接合的讀電流路徑)的一個端子連接到讀位線222。選擇晶體管263還將MJT單元262的第三電流路徑(讀電流路徑)的一個端子連接到讀位線226。響應解碼存儲器列地址，讀列解碼器242被要求將讀位線222連接到感知存儲器單元210中的MTJ的狀態(tài)的讀出放大器270。讀列解碼器246沒有被要求。響應感知操作，讀出放大器270提供指示存儲器單元210的位狀態(tài)的輸出信號DataOut。
圖15中示出了由MJT單元260和選擇晶體管261組成的存儲器的截面圖表示。這示出被布置為利用圖14的體系結(jié)構(gòu)的MRAM器件的普通元件。在MRAM技術(shù)的典型應用中，MRAM器件將出現(xiàn)在具有大量邏輯的電路諸如微處理器上。在這種情況下，將有若干層金屬容納邏輯設計，并且MRAM器件的存儲元件將在這些層已經(jīng)被形成之后制造。這是由于典型的隧道接合不能承受大于大約400攝氏度而不衰退。
存儲器單元210包括隧道接合300，隧道接合300被連接到并且極其接近寫位線220和互連306，并且極其接近寫電流路徑232。晶體管261包括源極322，漏極324和柵極323。晶體管261的源極322被通過互連318，互連308，互連310和互連312連接到MRAM器件260，互連318，互連308，互連310和互連312被作為由邏輯使用的金屬層而形成。這些金屬互連層被如所公知的由通路連接到一起。寫電流路徑232被形成在與互連318相同的金屬層內(nèi)。柵極323是讀字線RWL0230的一部分，并且被周期地連接到互連320。使用互連320將減少RWL0230的電阻。這是普通的搭接(strapping)技術(shù)以便避免多晶硅相對高的電阻。讀位線222被通過互連連接到晶體管261的漏極324。
圖16示出了如圖15中指出的存儲器單元210和晶體管261的源極322處的截面圖。這個截面圖被擴展以便包括存儲器212和晶體管263。這示出了與互連諸如互連310同層的讀位線RBL0222，以及與互連諸如互連312同層的讀位線RBL1226。注意隧道接合300和WWL0232偏離剖面線，并且因此沒有出現(xiàn)在圖16中。圖16中給出的存儲器單元212的部分是寫位線WBL1224。與存儲器單元210類似，存儲器單元212的第三電流路徑被互連340，互連338，互連336，互連334和互連330連接到晶體管263?；ミB306和330分別提供了到存儲器單元210和202的隧道接合的直接連接。這些截面圖示出這種體系結(jié)構(gòu)可以被制作而不需要需要特殊處理的不常見的結(jié)構(gòu)。
至此，應當明了已經(jīng)提供了一種改進的MRAM體系結(jié)構(gòu)。公開的MRAM體系結(jié)構(gòu)既改進了存儲器的速度也改進了存儲器面積的效率。特別是，讀速度被改進了而沒有犧牲寫效率。在這種體系結(jié)構(gòu)中，位選擇晶體管將磁隧道接合(MTJ)的一個端部或端子直接連接到位線而不是如其它體系結(jié)構(gòu)中的情況將隧道接合的一個端子連接到地。所述隧道接合的第二端子被連接到寫位線，該寫位線被連接到地或是另一個參考端子電壓。通過該MTJ的選擇晶體管到位線的直接連接允許讀位線和寫位線的電隔離，從而顯著地減小了讀位線上的電容，并且改進了感知操作的速度。相反，如果讀位線和寫位線是相同的導體，則在各個端部上需要開關(guān)以便在讀操作過程中隔離位線。這些開關(guān)給位線帶來了顯著的寄生電容，從而明顯地減慢了感知操作。此外，這些開關(guān)必然是大的以便給顯著的寫電流提供小的電阻。因此，消除每個寫位線的一個端部上的開關(guān)導致存儲器體系結(jié)構(gòu)200中顯著的尺寸節(jié)省。
對此處為了說明的目的而選擇的實施例的各種改變和修改對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是容易的。例如，示出的晶體管可以以任意類型的晶體管實現(xiàn)，并且可以實現(xiàn)各種導電率?？梢允褂么颂幷f明的存儲器體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)各種類型的磁阻存儲器單元。雖然此處描述和討論了特定類型的MRAM單元，也可以使用以不同原理操作的MRAM單元。本發(fā)明可以被調(diào)整為適合于各種半導體制造工藝。圖15和16中示出的互連的數(shù)目被作為例子并且針對特定的應用可以被增加或減少。對于圖中示出的讀出放大器的實現(xiàn)，可以使用任意類型的讀出放大器體系結(jié)構(gòu)。此外，可以使用列和行解碼器和存儲器驅(qū)動器的各種實現(xiàn)。應當理解，示出的字和位線可以被從所示出的互換，或是字和位線可以是交替的而不是分離為行和列布置?？梢詫崿F(xiàn)任何位大小的存儲器，并且可以實現(xiàn)由存儲器單元部分的任意的分組。
在這個意義上，這種修改和改變沒有脫離本發(fā)明的精神，它們被旨在被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，本發(fā)明的范圍僅由下面的權(quán)利要求的清楚的解釋確定。
上面已經(jīng)以特定的實施例說明了本發(fā)明的益處，其它優(yōu)點和對問題的解決方案。然而，所述的益處，其它優(yōu)點和對問題的解決方案以及可以使得任何益處，其它優(yōu)點或?qū)栴}的解決方案發(fā)生或成為更顯著的任何元件將不被解釋為任意或全部權(quán)利要求的必不可少的，被要求的或基本特征或元素。如此處使用的，術(shù)語“包括”(“comprises”，“comprising”)或其任何變體旨在覆蓋非排他的包括，諸如包括一列元件的處理，方法，制品或裝置不僅僅包括這些元件，而是可以包括沒有被明確地列于或這種處理，方法，制品或裝置所固有的其它元件。如此處使用的，術(shù)語一個(“a或an”)被定義為一個或多于一個。如此處使用的，術(shù)語多個被定義為兩個或?qū)τ趦蓚€。如此處使用的，術(shù)語另一個被定義為至少兩個或多個。如此處使用的，術(shù)語包括和/或具有被定義為如同包括(即，開放語言)。如此處使用的，術(shù)語連接(coupled)被定義為連接(connected)，雖然不必是直接地也不必是機械地連接。
權(quán)利要求
1.一種存儲器，包括具有第一端子和第二端子的第一磁阻隧道(MTJ)；具有被連接到第一MTJ的第一端子的第一電流電極、第二電流電極和控制電極的第一晶體管；大體上在第一方向上與第一MTJ接近地經(jīng)過，并且被連接到第一MTJ的第二端子的第一寫位線；大體上在與所述第一方向成直角的第二方向上與第一MTJ接近的寫字線；被連接到第一晶體管的控制電極的第一讀字線；讀出放大器；和第一讀位線，它將第一晶體管的第二電流電極連接到所述讀出放大器。
2.如權(quán)利要求1的存儲器，其中第一寫位線具有被連接到地的第一端部以及被連接到第一位寫驅(qū)動器的第二端部。
3.如權(quán)利要求2的存儲器，其中第一寫字線具有被連接到正電源端子的第一端部和被連接到字寫驅(qū)動器的第二端部。
4.如權(quán)利要求1的存儲器，還包括具有第一端子和第二端子的第二MTJ；具有被連接到第二MTJ的第一端子的第一電流電極、第二電流電極和控制電極的第二晶體管，其中第一寫字線大體上在第二方向上接近第二MTJ，并且第一讀字線被連接到第二晶體管的控制電極；大體上在第一方向上與第二MTJ接近地經(jīng)過，并且被連接到第二MTJ的第二端子的第二寫位線；和第二讀位線，它將第二晶體管的第二電流電極連接到所述讀出放大器。
5.如權(quán)利要求4的存儲器，其中第一寫位線具有被連接到地的第一端部和被連接到第一位寫驅(qū)動器的第二端部，并且第二寫位線具有被連接到地的第一端部和被連接到第二位寫驅(qū)動器的第二端部。
6.如權(quán)利要求4的存儲器，還包括具有第一端子和第二端子的第三MTJ；具有被連接到第三MTJ的第一端子的第一電流電極，第二電流電極和控制電極的第三晶體管，其中第一寫位線大體上在第一方向上接近地經(jīng)過第三MTJ，并且被連接到第三MTJ的第二端子，并且第一讀位線將第三晶體管的第二電流電極連接到讀出放大器；大體上在第二方向上與第三MTJ接近的第二寫字線；和被連接到第三晶體管的控制電極的第二讀字線。
7.如權(quán)利要求6的存儲器，其中第一寫位線具有被連接到地的第一端部和被連接到第一位寫驅(qū)動器的第二端部，并且第二寫位線具有被連接到地的第一端部和被連接到第二位寫驅(qū)動器的第二端部。
8.如權(quán)利要求6的存儲器，還包括具有第一端子和第二端子的第四MTJ；具有被連接到第四MTJ的第一端子的第一電流電極、第二電流電極和控制電極的第四晶體管；其中第二寫字線與第四MTJ接近，并且大體上在第二方向上；第二讀字線被連接到第四晶體管的控制電極；第二寫位線大體上在第一方向上與第四MTJ接近地經(jīng)過，并且被連接到第四MTJ的第二端子；和第二讀位線將第四晶體管的第二電流電極連接到讀出放大器。
9.如權(quán)利要求8的存儲器，其中第一寫位線具有被連接到地的第一端部和被連接到第一位寫驅(qū)動器的第二端部，并且第二寫位線具有被連接到地的第一端部和被連接到第二位寫驅(qū)動器的第二端部。
10.一種讀被選擇的存儲器單元的狀態(tài)的方法，包括提供被布置在多個行和列中的隨機訪問存儲器單元的陣列，每個隨機訪問存儲器單元包括具有第一端子和第二端子的MTJ；具有被連接到所述MTJ的第一端子的第一電流電極、被連接到多個字線中的一個的控制電極和第二電流電極的晶體管；提供與所述MTJ接近地與所述行和列對齊的多個寫線，其中每個MTJ被連接到多個寫線中的一個；提供讀出放大器；將所述被選擇單元的所述晶體管的第二電流電極連接到讀出放大器。
全文摘要
磁阻隨機訪問存儲器(MRAM)陣列(200)的每個存儲器單元(260，262，266，268)具有磁阻隧道接合(MTJ)和被連接到所述MTJ的晶體管(261)。由沿著所述陣列的行和列的寫線(220，232)發(fā)生寫。一組寫線(232，236)被連接到所述MTJ的沒有被連接到所述晶體管的端部。從而這些寫線接近所述MTJ，并且因此具有到所述MTJ的良好的磁耦合，這對保持寫電流為低是重要的。這些寫線在一端被驅(qū)動器(240，252)驅(qū)動。另一方面感知發(fā)生在被連接到?jīng)]有被連接到所述MTJ的存儲器單元的晶體管的端部的讀位線(222)上。通過使得讀出放大器(270)在與寫驅(qū)動器不同的線上，感知沒有被寫驅(qū)動器(240，252)的電容減慢。
文檔編號G11C11/02GK1735942SQ200480002158
公開日2006年2月15日 申請日期2004年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月17日
發(fā)明者約瑟夫·J·納哈斯 申請人:飛思卡爾半導體公司