TW559810B - Method for operating an MRAM semiconductor memory arrangement - Google Patents

Description

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五、發明説明（1 ) 本發明係有關-種具有複數個TMR記憶體單元之磁性隨 機存取記憶體（MRAM)半導體記憶體配置之操作方法，^ 等複數個TMR記憶體單元在一記憶體單元陣列中，一端边 接位元線，另一端連接字元線。 如所熟知，一 ？411八％半導體記憶體配置係以效應輔 助之鐵電儲存功能為主··位於一字元線與—位元線相^點 之位置係為具有一包含一軟磁層、一穿隧電阻層與一硬磁 層之層堆疊之一TMR記憶體單元。一般來說，該硬磁層之 磁化方向是預先決定的，而該軟磁層之磁化方向則可藉由 該字元線與該位元線傳送對應之特定方向的電流做調整。 藉該等電流，該軟磁層可以相對於該硬磁層平行或是反平 行方式磁化。在平行磁化時，該層堆疊之電阻較反平行磁 化的電阻低，其值可以用邏輯狀態「0」及「1」來代表或 疋相反亦可。一替換方案，則可以將資訊儲存於該硬磁 層，而將该軟磁層當做讀出。然而此方案之缺點係該硬磁 層之磁化的切換所需要之寫入電流會增加。 到目前為止，MRAM半導體記憶體配置基本上有兩種完 全不同之結構： 在所4之「相交點」結構中，該等單獨之TMR記憶體單 元係直接位於形成位元線與字元線之相互交叉内連之間。 在此種相交點結構中，半導體組件，尤其是沒有電晶體需 單獨之記憶體單元’使得複數層之Tmr記憶體單元可以隨 時互相堆疊。因此可以達到非常高整合密度之Mram。然 而在该「相交點」結構案例中，寄生電流無可避免地得流 | I" III ........ ...... „ _— _ 4 _ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210X297公爱） 559810 A7 __________ B7 五、發明説明（2 ) 經非選擇之記憶體單元。因此，在大型之記憶體單元陣列 中β玄專單獨之TMR記憶體單元必須具備一非常高之電阻 以使a亥等寄生電流維持低。在該單獨TMR記憶體單元之高 電阻狀況下，讀取操作相當慢。 在另一種結構案例中，將另外一切換或是選擇電晶體分 派給具有以上所述之層堆疊之每一個單獨TMR記憶體單元 (請參考M. Durlam所著之「以磁穿隧接合元件為主之非揮 發性隨機存取記憶體（RAM)」）。 所附之圖1以圖示從四個TMR記憶體單元TMR1、TMR2、 TMR5、TMR6之一部分，分別分派給一選擇電晶體TR1 i、 TR12、TR21、TR22。如上所述，每一個TMR記憶體單元係 包括一由該硬磁層11、該穿隧電阻層12與該軟磁層13所構 成之一層堆疊。位元線BL1與BL2在該軟磁層13之上形成互 連’並與後者直接連接。資料或是數位線DL1以一與該等位 元線BL1、BL2交叉的方向配置於該硬磁層11之下，並與該 層連接。一選擇電晶體TR11、TR12、TR21與TR22，其閘極 連接至字元線WL1與WL2，係與每一個TMR記憶體單元耦 合。 與該等切換電晶體連接之TMR記憶體單元之MRAM半導 體記憶體配置最特出的是其實際上已不可能具有寄生電 流。結果，雖是在大型記憶體單元陣列中，該記憶體單元 可以具有一較低電阻之TMR元件。還有，該讀取方法簡化 了，藉此可較該「相交點」結構案例之存取快。然而，電 晶體/ TMR記憶體單元結構之缺點為其尺寸比相交點結構大 _____-5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 559810 A7 B7 五、發明説明（3 ) 不少。此外，還不可能進行TMR單元平面直接之堆疊，因 為一記憶體單元陣列之每一個記憶體單元都需要一電晶 體，即一 $夕表面。 在一先前之專利申請中，本發明之申請人提出一 MRAM 記憶體配置，其中將一「相交點」結構之好處與電晶體 / TMR記憶體單元之好處大致結合。 附圖2表示結合一相交點結構與一電晶體/ TMR記憶體單 元結構之此一 MRAM半導體記憶體配置。在此例中，形成 包含複數個TMR記憶體單元之群。同一群之TMR記憶體單 元TMR1、TMR2、TMR3與TMR4中每一個都是一端同時連 接一位元線BL，另一端同時連接一選擇電晶體TR2，該字 元線WL2連接至該電晶體之閘極。在另一 TMR記憶體單元 群中，也是複數個TMR記憶體單元，例如四個TMR記憶體 單元TMR5、TMR6、TMR7與TMR8，一端同時連接至相同 之位元線BL，另一端同時連接至一第二選擇電晶體TR2， 一第二字元線WL2連接至該電晶體之閘極端。在圖2所示之 MRAM半導體記憶體配置中，電晶體TR1、TR2所需的空間 可以大大地降低，因為只有分派一個切換或是選擇電晶體 TR1、TR2給複數個TMR記憶體單元，例如四個TMR記憶體 單元，結果一 MRAM半導體記憶體配置允許增加該記憶體 單元陣列中之封裝密度。 一般來說，MRAM半導體記憶體配置有一個問題，即實 現該TMR記憶體單元之重現能力或是電阻之分佈會不正確 或是不平衡，因為該TMR記憶體單元之電阻對位障厚度， -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 物81〇 A7 _________B7 __ 五、發明説明（4 ) 即該穿隧層之厚度，極端敏感（成指數關係）。這使其更難 以對該讀取信號之評估實現一適當之參考。以下將討論兩 種解決該問題之可能性： -提供一外接參考（參考單元或是參考電流/電壓源）。該 TMR之變動必須遠大於該等電阻波動（fiuctuati〇ns)才可 應用此方式。此方法對以上所述之每一電晶體並聯複數 個TMR記憶體單元之記憶體配置來說可能不適用。 -破壞性（Destructive)讀取·· TMR記憶體單元在讀取後可 能要於一特定方向重新寫入並比較，結果造成必須作後 續之回寫動作。此時，該記憶體單元本身做為參考，使 得在記憶體單元中的電阻波動就不重要了。然而，此方 法花費時間’如果該讀取方法不是1 〇〇%可靠的話，亦 可能使得資料變更。因為寫入的動作必須較常執行，便 可能會有可靠性的問題。 因此’本發明之一目標為啟用一種具有多個TMR記憶體 單元之MRAM半導體記憶體配置之操作方法，在一記憶體 單元陣列中，該多個TMR記憶體單元於一端連接至位元 線’另一端連接至字元線’此舉可使用該記憶體單元本身 做為參考，而在該記憶體單元中的資訊不會破損，即該回 寫動作不需執行。 本目標根據所提出的申請專利範圍可以達成。 根據本發明之方法，對該TMr記憶體單元做可逆之磁變 化’而且將所產生之電流信號與原始之電流信號比較，結 果該記憶體單元本身可以做為參考，即使在該記憶體單元 本紙張尺度適用中s a家標準(CNS)从規“ 297公董了 559810 A7

中的資訊未受損，即該回寫動作不需執行。

一寫入線之TMR

根據本發明之方法較適於應用於一具有 記憶體單元類型， TMR記憶體單元加上電晶體）。然而也可應用於 結構’即一沒有電晶體之TMR記憶體單元。 選擇電晶體並 記憶體配置來 根據本發明之方法，對具有以上所述與一選 聯之複數個TMR記憶體單元之MraM半導體記 說，特別好用（參考圖2)。 以下參考所附之圖式詳細說明本發明的兩個示範性具體 實施例。在圖式中： 〃 圖1為以上已說明之具有一選擇電晶體分派給一 單元 之複數個TMR單元之MRAM半導體記憶體配置的示意與透 視圖；及 ~ μ 圖2為一示意等效電路圖，顯示已說明具有與一選擇電晶 體並聯之複數個TMR單元之MRAM半導體記憶體配置。阳 在根據本發明之一第一項示範性具體實施例中，資訊儲 存在該軟磁層13中（圖1)。在讀取時，一開始便記錄對應儲 存在TMR記憶體單元中之資訊的電流信號，而沒有外施磁 %。之後’该軟磁層1 3的磁性藉該場儲存於相對該簡易磁 化軸（簡易軸）旋轉約45至60。，該磁性旋轉係由在該非連接 之寫入線，如WL2，之一電流脈衝所產生的，而且將造成 之電流#说變更與先刖3己錄之電流信號相較。如果該軟磁 層π的磁性相對於該硬磁層11之磁性為平行的話，（例如對 應邏輯「0」），該電阻即增加；如果該軟磁層丨3的磁性相 對於該硬磁層11之磁性為反平行的話，（對應邏輯「1」）， _ 8 _ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 559810

^ P減〉、。之後因為磁異向性（anisotropy)的緣故，該 磁化，轉回對應該儲存資訊之原始方向。根據本發明方法 的示範11具體貫施例使儲存在該單元中之資訊可被讀取而 不損壞該資訊，該單元本身係做為參考。與該破壞性讀取 相較之下，本方法的缺點為讀取信號最大僅為其三分之一 大0 根據本發明之一第一示範性具體實施例中，資訊係健存 在該硬磁層11中。該軟磁層13係做為讀出。藉由將一電流 脈衝通過該電性非連接之寫入線（例如WL2),該軟磁層被 帶入一平行該簡易軸之定義方向，而且該量測值與該軟磁 層之完全相反方向之量測值做比較。此時在邏輯「0」與 「1」的信號差最多對應TMR擺動的兩倍，即較第一示範性 具體實施例中高6倍。結果，儲存在該硬磁層丨丨中的資訊未 受到變更。此方法的缺點係該硬磁層之磁性切換所需的寫 入電流較高。 參考符號清單 TMR1、…、TMR8 TMR記憶體單元 BL、BL1、BL2 位元線 WL1、WL2 字元線 D L1、D L 2 資料數位線 TR1、TR2、TR11、TR12、TR21、TR22 切換電晶體 11 硬磁層 12 穿隧電阻層 13 軟磁層 ____-9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210 X 297公爱)

Claims (1)

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   A B c D 1. 一種具有多個TMR記憶體單元（丁MR)之磁性隨機存取記 憶體（MRAM)半導體記憶體配置的操作方法，該等Tmr 記憶體單元在一記憶體單元陣列中，一端連接位元線 (BL) ’而另一端則連接字元線（wl)， 其特徵為： 在讀取一資訊項時，該TMR記憶體單元係受到一電流 脈衝之暫時可逆磁變化，而將所造成之變更的電流信號 則用來與該原始電流信號作比較。 2. 如申請專利範圍第1項之方法， 其特徵為： 該資訊係儲存於該TMR記憶體單元（TMR)之軟磁層 中； 3 在讀取時，一開始就偵測到在該讀取線（BL)中有一電 流信號，而不用一外部施加磁場； 之後，藉由一電流脈衝通過該電性無連接之寫入線 (WL1、WL2)，該軟磁層（13)之磁性係相對該簡易磁化 軸做可逆旋轉； 在讀取線（BL)中所得變更之電流信號係與該原始横測 之電流信號做比較；及 該儲存之資訊係由該比較來決定。 3. 如申請專利範圍第2項之方法， 其特徵為： 該軟磁層相對該簡易磁化轴的磁性旋轉係受到該電流 脈衝之影響量達約45到60。。 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 559810 A8 B8 C8 D8 六、申清專利祀園 4如申請專利範圍第1項之方法， 其特徵為： 資訊係儲存於該TMR記憶體單元（TMR)之硬磁層（1 1) 中； 藉由一電流脈衝通過該電性無連接之寫入線（WL)，將 該軟磁層（13)帶入平行於該簡易磁化軸之一定義方向 中； 接著量測在讀取線（BL)中所得變更之電流信號； 將該量測值與和該軟磁層（13)完全相反方向的電流信 號做比較；及 儲存於該TMR記憶體單元（TMR)中之資訊係由該比較 來決定。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）