TW454185B - Magnetic random access memory array divided into a plurality of memory banks - Google Patents

Description

454185 五 發明說明（l) 年8月3曰在吳國提出該申請，專利申請號碼為 ，發明說明一個磁性隨 憶器； 丨 一個具有多個# ,陰^ •更明確地說明 慎哭4 ^個隐。°組之磁性隨機存取記憶器，每一個印 u D '，且_有位兀線配置在—條參照線的兩側。 。 個抗磁性的奴機存取 （MRAM) 記憶器裝置，包括多個磁— 種非揮發性的 果将以^思从 性記憶益早兀。已知該抗磁性效 ’、夕s ^勝捲呈現’由磁性層和非磁性層交替堆聂。 個磁性:己憶器單元上的磁性阻抗，分別指出當磁性 、磁化向里指向該相同或相反方向時的最小值和最大值。 兩個磁性層中該等相同或相反方向的磁化向量分別稱為” 仃和反平行”狀態。當一個記憶器裝置使用磁性材 日守則例如分別將平行和反平行方向在邏輯上定義為" 和"1"狀態。藉一個切換點上一個磁場的應用很快地將 性層中該等磁化向量轉換成另一個方向，並維持該磁化 向（即使沒有一個磁場）。 該MR AM裝置通常在金屬線的交點上配置磁性記憶器單元 (置放成列和行）。例如，在一個聯合待決、定名為”具共7 旱字元和數位線之抗磁性隨機存取記憶器"的美國專利申 請（摩托羅拉（Motorola)檔案號碼CR98-038 )中說明該心〇 電路，於1 998年7月提出並讓渡給該相同的受讓人，且以 提及的方式併入本文中。

4 54 1 85 五、發明說明（3) ' -- 在溫度變化上具有一個高容許量。 登明總 藉提供一個抗磁性隨機存取記憶器（MRAM)裝置，以 地滿足該等所需和其它—七，甘士 & 貝貝 g，每一個1 3 1 f匕而求其中該MRAM裝置包括記憶器 元線和該參照線平行，1配置：^位-線及數位線。位 線垂直的字元線和數位線形參照線…。與位元 置磁性記憶器單元，用以 =:，其中在s亥等交點上配 線的交點上配置參照磁性記‘二二：在該等參照線和數位 -個非磁性層將磁性層隔開,° :兀。-個5己憶态單元藉 整個基座上使該記憶體二層和非磁性層。於J 性，允許記憶器單元指示：:〔成”和大小-致的困難 象特徵。…方止誤讀一磁滞後現 明將-個記憶器陣列分割成“固己隱益早兀中的狀態，本發 丁以刀口 !战多個記情、哭組。备一個 組包括一條參照線，及在該夂自’…°、· °己憶器 在該基座上，开編位元綠二：線兩測形成的位元線。因 憶器早兀和簽照記憶器單元 还〖生記 象特徵。 /、有该專相同或類似的滯後現 凰式既 圖1，說明一個MRAM裝詈Φαα , 的週邊裝置電路； 中的-個記憶器組電路和其它 圖2 ’說明一個簡化和擔右,

ΜΑ 4 ^ S 充的磁性記憶器單元，其中D 一個非磁性層將磁性層隔開； 从

如圖3，顯示一個圖示 單元的滯後現象特徵； 例證說明圖2中所述該磁性記憶器 ，說明一個肢AM元件電路的另一個體系； °兒月具有四個記憶器組之一個完全的MR AM裝置。 較可取體系詳述 包=1^兒明一 _個記憶器組電路1〇和其它的週邊裝置電路， 個、ϋ is個位兀/參照線選擇器11，一個數位線控制12，一

導ΐίϋ13及—個比較器電路14。該等電路建構在-個半 或一個玻璃基座上。雖然於圖丨中僅例證說明一個記 :益組’但應察知一個MRAM裝置包括多個記憶器組且 更^的記憶器容量，將於下文中就圖5說明之。 ’、 •己k态組10有磁性記憶器單元（記憶器單元）15_18，及 多照記憶器單元19和2〇。將記憶器單元15_18置放在"感應 或位元線21-24"和"轉矩或數位線25和26(與位元線21_24" 垂直）11的交點上，同時將參照記憶器單元丨9和2 〇置放在— 條參照線2 7和數位線2 5、2 6的交點上。記憶器單元丨5 _ J 8 和參照單元1 9、2 0形成該相同的單元結構，如圖3中所例 證說明的，將於下文中討論該細節。記憶器單元丨5 —丨8、

參照單元1 9順序地和電晶體28-32耦合’以控制"記憶器單 元15-18和參照單元19"中一個到"一條接地或公用線33”的 電流。如圖1中可視’記憶器組丨〇有一條單一的參照線和 四條位元線。四條位元線中每兩條位元線對稱地配置在該 參照線的兩側，藉以使位元線和參照線上的每一個記憶器 單元緊密地置放在該基座上◦雖然記憶器組丨〇包括該參照

第8頁 454 1 85 五'發明說明（5) 線兩側的兩條位元線，但再另外增加其它 _ 該記憶器容量係可能的。 ’、立兀線以擴充 位元線2 1-24、參照線27和選擇器η管理 34-38耦合，以便分別提供一個感應電流、刀換電晶體 流。數位線控制1 2將數位線2 5和2 6置放在$ — μ “、、冤 元相鄰’並將線39-40和電晶體28- 32耦合。回廯=:早 一個信號的電晶體41和42，將位元線21、2q : Γ終端43上 47的非反向輸入44、45耦合，同時回應終端5〇上_ ^ 、 的電晶體48和49，亦將位元線22 '24和比軔哭“—個信號 卞人命、47的非 反向輸入44、45耦合。由一個終端52上一個作祙扯& IU L观控制的雪（ 晶體51 ’將參照線27和比較器46、47的反向輸入53、M 、 合。比較器46、47比較"非反向輸入44 ' 45上的電壓"和， 反向輸入5 3、5 4上的參照電壓"，以於輸出端$ 5、5 6上產 生輸出信號0〇和h 〇 例如，一個用以於目標單元1 5、i 7中讀取狀態的操作 中’選擇器1 1將打開信號傳遞給電晶體34、36和38的閘電 極，以分別啟動位元線2 1、23和參照線27。接著，線控制 1 2提供線3 9上的一個打開信號，以允許電晶體2 8 - 3 2打 開。因此’由一個箭頭5 7指示的一個感應電流I s，從.—條 電源線58 ’經由電晶體34、目標單元1 5和電晶體28流至公（ 用線33 ’同時由一個箭頭59指示的一個感應電流Is’ ，從 電源線58，經由電晶體36、目標單元17和電晶體30流至公 用線33。除了感應電流is和is’之外，亦提供一個參照電 流Ir(由一個箭頭60表示），從電源線58，經由電晶體38、

4 54 I 85 五、發明說明（6) i過：3:3晶體32至公用線33。感應電流1時Is’在 外，參照電产匕較益46、〇的非反向輸入44、45中。此 並經由ΐ晶ΐ心二產生—個電壓下降， 中。比較器46、4=ΐϊ:46、47的反向輸入53、54 如，當橫過目輕。。 和反向輸入上的電壓值。例 的該電壓：早兀以的該電壓下降高於橫過參照單元19 信號；否則在S i 1較器46在輸出端55上提供一個高電壓 從岣 别出端5 5上呈現一個低電壓。 仗綠選摆5| 1 1 參照電流ΙγΊρ引用至電晶體38上的一個閘電壓，控制 上產生—個最大個磁性記憶器單元在-個反平行狀態 最小雷没ν . 電£Vmax，並在一個平行狀態上產生一個 V f( ^ =11，則參照電流ΙΓ調整產生一個參照電壓

Vnun間有個參照磁性單元時產生的），以便在W和 間有一個二分之一的電壓；即， 為 Verf _ (Vmax + Ymin) / 2 電晶Μ入目；單元15中的狀態，❹，線選擇tm打開 41 ,允1龄ΐ在終端43上提供一個打開信號以打開電晶體 開電晶r63 :;:'。同時，一個位元線程式控制62打 呢線^ a _接者由—個箭頭64指示的位元電流ib，從電 ^流至八Ϊ由電晶體61、位元線21、電晶體41和電晶體63 位電流Ιγ1/ = 3一二此/卜，線控制12啟動數位線25，以提供數 分別ΐ 4兹π一個箭頭65指示〕。位元電流Ib和數位電流Id 石琢。將該等磁場向目標單元1 5中組合。I b和I d

454185 五、發明說明（7) ΠΠ場；，f換目標單元15中的該等磁化向 變更一己情ί!: :::7016-18 ’該等個別的磁場小於 泣七好1心°。早兀中5亥磁化方向所需的該磁場。該位元電 二i :插位電流中至少有一個電流必須為可反向的，以將 兩J不同的狀態儲存於該選取的目標單元中體 線控制12管理數位電流η的該等方向。二程 i FaV ^ '^39 ίσ40" - ^ 1 32。同時抑制比較器46和47，且於一程 間’沒有電流流經參照線23。 、工’ 茸；說明一個簡化和擴充的記憶器單元結構7。之一個 庳、主立嬈=’及圖2中記憶器單元7〇的滯後現象特徵?5。 思，，、它形悲的磁性記憶器單元可用於該記憶裝置 器單元7G有三層，包括第…層磁性層η和第二層 ，層72，並由一非磁性層73隔開。第一和第二層磁性層 .σ 2分別利用磁性材料’如鐵化鈷（c〇Fe)和鈷化鎳鐵 (NiFeCo)。例如由一置放在和層71相鄰的反含鐵磁性層 (未顯示）磁性固定第一層磁性層71中的磁化向量。第二層 磁！生層7 2為磁性游離的，交替磁化向量以回應一個外部的 磁場。非磁性層73，例如由—種絕緣材料（如三氧化二鋁 (Al^〇3))所形成，且厚度約為3〇a。該薄層允許非磁性層73 在第一和第二層磁性層71、7 2間形成一個地道連接，其中 ^道電流流經该地道連接。如於圖3中將察知，該記 隐益單兀的一個磁性阻抗隨著第二層磁性層7 2中的磁化方 向而變，並導致非磁性層73中的一個地道電流改變。將該

4541 8 5

五、發明說明（8) 專磁性層墓制# a 757, 6 95中所^ /質上將該磁化排齊，如美國專利號碼5， 磁i “ ϊ Γ和強圖户3的橫座標指示引用至記憶器單元7。中-阻抗。假設記憶；單示記憶器單元7〇的該磁性 72中的磁化向量: : ^為*沒有外部磁場下、層71和 下，則該外部 向量在-個磁_上切換至左▲ 2二中的磁化 於該反平行狀態（相反的方向）中向中的磁化向量 此，記憶器單元70的磁性阻抗㈣二:前^所示。因 從H1變更’如曲線78所示，則第二層磁’該磁場 量在一個磁場H2上切換至右邊。因此，二2中的磁化向 低Μ，且層Π和72中的磁化向量指向^磁場^抗《降 頭79所示。於美國專利號碼5, 768, 1 8 1向，如箭 元結構的一個例證。 τ 5兄明該記憶器單 現轉向圖4 ’例證說明另一個體系"—μ — 2中的單元70類似），該等單元在列和行二二陣列80 ’’（和圖 起見’僅例證說明四個單元81—84，但仃向東。為了方便 實際上可適合建構的單元數。提供多個兩用任： 一個兩極體和單元81-84中的其中—個。。収心-88，母 體系中’藉-個電子傳導部份，將早凡相關聯。於該 終端連接至該相關聯單元該較低或二…兩極體的一個 包括如一層傳導層或合金的材料，=竹磁性層上，其可 必1將該等兩極體整合

第12頁 454 1 85 五 '發明說明（9) ----- ---- f :個基ί或較高層，並以該傳導部分將該等兩極體形成 w兩極肢的一部分。該兩極體的一第二個終端連接至一 ，感應線，士該單元該等第一和第二層磁性層的其它終端 、接至條字疋線，如美國專利號碼5，7 3 4，6 0 5中所示。 山 ^ 8 1有一層磁性層連接至兩極體8 5的一個終 端’且該其它的磁性層連接至—位元線6。。兩極體Μ的第 二個終糕連接至一條字元線I。如是，藉選取位元線心和 子獨—無二地定址單元以。可由位元線b◦和字元線 0 3連接的感應裝置輕易快速地感應到單元8丨中任何阻抗 的改變：為選取單元81，兩極體85為正向偏差的。一旦兩 極體85為正向偏差時，電流即從位元線BQ，經由單元8丨和 兩極體85流至字元線Wq。其它所有的兩極體86_88為反向 偏差的。因此，沒有電流流經單元8 2 _ 8 4。 圖5說明一個完全的〇錄電路9〇，包括記憶器組91_94， 一個位το/參照線控制95，數位線控制96，選擇器”及一 個比較器電路98。該等電路建構在一個半導體或一個玻璃 基座上。MRAM電路有四個記憶器組91_94。應注意，一旦 要求更多的§己憶器容量時，即建立更多的記憶器組。下文 中將僅討論記憶器組91，因記憶器組92_94和記憶器組91 具有該相同的電路結構和操作。 記憶器組91包括一條參照線R. LI NE〇，及一百二十八 條、分割成四組的位元線B. Line0-B. LINE 127，即第一組 為位凡線B.LINE0-B.LINE31，第二組為位元線B.LINE32- B.LINE63 ’第三組為位元線B.UNE64 —B LINE95，第四組

第13頁 五 '發明說明（ίο) 為位元線8几1，96-8.11題127。在一個基座上，第一組/ 第二組位元線和第三組/第四組位元線係對稱和實體地配 置在參照線R · L I NE 0的兩側。磁性記憶器單元配置在位元 線B. LINEO-B. LINE127 和數位線D. LINEO-D. LINE N 的交點 上，同時參照磁性記憶器單元置放在參照線r. L I NE 0和數 位線D. L I N E 0 - D，L I N E N的交點上。每一個記憶器單元，例 如和一個電晶體105耦合，以回應一條字元線w. UNE0上一 個信號的一個單元1 0 1，打開和關閉位元線Β· LI NE〇提供給 單元1 0 1的一個感應電流。如先前連同圖4所述，可以一個 兩極體替換電晶體105。 於一個讀取操作模式中，在每一組中選取並啟動一條位 7L線，以讀取一個目標單元中的磁性狀態。例如，當線控 制95選取該第一組中的位元線B· LINE〇、該第二組中的位 το線B. UNE32、該第三絚中的位元線B. LINE64及該第四組 中的位兀線B. LINE96時，則線控制96同時傳遞字元線 W· LIΝΕ 0上的一個打開信號。接著，啟動目標單元丨〇卜 m ’以_分別提供在那一點上的感應電流。於該等位元線 啟動的同a夺線控制9 5提供一個參照電流至參照線 」4，。π :以產生一個參照電壓橫過一個參照記憶器單 TC106 °藉選擇器97，將户 ( 、 肘铋過目標早το 1 0 1 -1 0 4的電壓下降1 和該參照電壓引用至出赫4 匕卓乂态111 - 1 1 4上。例如，錯位元線 B. LINE0將橫過目浐罝士 7 ηι ^早7G 1 〇 1的一個電·壓下降傳導至選擇器 9 7中，同時經由表昭绩r τ τ λτ p n /線R _ L I ΝΕΟ將該參照電壓提供給選擇 器97。選擇器97將位元線B. UNE0和參照線R. U _分別連

454185 五、發明說明（11) 接至比較器1 1 1的非反向輸入1 1 5和反向輸入1 1 6上。最 後，比較器1 1 1評估兩個輸入上的電壓，以在一個輸出端 11 7上設定一個輸出信號0Q。 對第二、第三和第四組執行和上面對第一組一樣的處 理，以允許比較器1 1 8 - 11 9分別在輸出端1 1 8 - 1 2 0上提供輸 出信號h-Os。此外，記憶器組92-94以和記憶器組9 1該相 同的功能操作之，因此提供輸出信號04-015。如是，具有 四個記憶器組的記憶器裝置9 0 (每一個記憶器組包括四組） 同時提供1 6個輸出。 如是，已充分地說明一種新的和改良的MR AM裝置，其中（ 在一個基座上配置記憶器組，每一個記憶器組包括位元線 和一條參照線，並在該等每一個記憶器組上配置磁性記憶 器單元和參照記憶器單元。 該等單元具有非常薄的層。就大體而論，將該整個基座 上每一層寬度控制為相同不變的、以使該等所有單元具有 該等相同的滯後現象特徵曲線，係非常困難的。於該MRAM 裝置中，在每一個記憶器組中該參照線的兩侧置放位元 線。該特徵提供一個穩定的讀取功能，因選取和啟動一個 和一參照單元密接的目標單元，且兩個單元在實質上具有^ 該等相同的滯後現象特徵。 '

第15頁

Claims (1)

1. 4 54 1 8 5 六、申請專利範圍 1. 一個磁性隨機存取記憶器陣列，包括： 多個第一條線組，該等多個第一條線組的每一組具有多 個平行置放的第一條線，且係電傳導性的； 多個第二條線，和該等多個第一條線垂直，且係電傳導 性的； 多個磁性記憶器單元，每一個磁性記憶器單元置放在該 等多個第一條線和該等多個第二條線的每一個交點上，且 在該交點上和一第一條線電子耦合； 一條參照線，和該等多個第一條線平行，且係電傳導性 的；及 （ 多個參照磁性記憶器單元，每一個參照磁性記憶器單元 置放在該參照線和該等多個第二條線的每一個交點上， 且和該參照線電子耦合； 其中每一個磁性記憶器單元和每一個參照磁性記憶器單 元具有磁性層，且由一個非磁性層將磁性層隔開。 2. 如申請專利範圍第1項之磁性隨機存取記憶器陣列， 更進一步包括多個比較器，每一個比較器具有一第一個輸 入、一第二個輸入及一個輸出，該第一個輸入和每一個第 一條線組中的該等多個第一條線耦合，且該第二個輸入和 該參照線耦合。 ' 3. 如申請專利範圍第2項之磁性隨機存取記憶器陣列， 更進一步包括一個線選擇器，用以將該第一個輸入電子連 接至該每一個第一條線組中的該等多個第一條線的其中一 條0

   O:\59V59398.PTD 第16頁 J54 1 85 六 、申請專利範圍 4.如申請專利範圍第1項之磁性隨機存取記憶器陣列， 更進一步包括多個開關和多個參照開關，每一個開關十每 一個磁性記，器單元連接，以允許一個電流流入該每一個 磁性1，器單元中’且每一個參照開關和每一個參照磁性 記憶器單兀連接，以允許一個參照電流流入該每一個參照 磁性記憶器單元中。 5.如申研專利範圍第1項之磁性隨機存取記憶器陣列， 更進一步包括一第二條線控制器，用以啟動該等多個第二 條線的其中一條。 6. 一個磁性隨機存取記憶器陣列，包括： （ 一個半導體基座，其中於該半導體基座上形成該磁性隨 機存取記憶器陣列； 參照磁性S己憶器單元置放在一條參照線上，且係電傳導 性的；及 記憶器組，每一個記憶器組包括磁性記憶器單元，且對 稱地置放在該參照線的兩侧。 7 ·如申請專利範圍第6項之磁性隨機存取記憶器陣列， 其中該等每一個參照磁性記憶器單元和該等每一個磁性記 憶器單元具有磁性層，且由一個非磁性層將磁性層隔開。 8. 一個磁性隨機存取記憶器裝置，包括： 1 多個記憶器陣列，每一個記憶器陣列包括： 多個記憶器組，每一個具有多個磁性記憶器單元的記憶 器組置放在第一條線和與該等第一條線垂直的第二條線的 交點上’第一條線和第二條線係電傳導性的，且每一個磁

   O:\59\59398.PTD 第17頁 454185 六、申請專利範圍 ___ 性記憶器單元在每一個交點上和一第一條線電人 多個參照磁性記憶器單元，置放在一條盥該 σ ，及 平行的參照線和該等第二條線的交點上 線 導性的，且每一個參照磁性記憶Μ元在每係電傳 該參照線電輕合； 固父點上和 -第-個控制器，和該等多個第一條線、該电 合，用以啟動每―個記憶器組中該等多 ^線= 照線的其中一條； 保線、該參 一第二個控制器，和該等多個第二條 該等多個第二條線的其中一條； 柄D用以啟動 -個線選擇器，用以選取每一個記憶器組 （ 一條線的該其中一條；及 τ多個第 多個比較器，每一個比較器具有一第—個 個輸入及一個輪出，該第一個輸入和該等^ 、一第二 該其中-…，且該第二個比較器和該參線的 9. 如申睛專利範圍第8項之磁性隨機存取^ 5。 其中該磁性記憶器單元具有一第一層磁性；°、憶器裳置， 性層及一非磁性層（夾在該第一和二 e 第二層磁 第一層磁性層電子連接至該第一條線上 生層中間），該 10. 如申請專利範圍第9項之磁性隨在 更進-步包括多個開關，每一個開關和C憶器陣列，( 接，用以將每一個磁性記憶器的該第個第二條線連 子耦合。 s和一條公用線電 O:\59\59398.PTD 第18頁