TWI223259B - A reference mid-point current generator for a magnetic random access memory - Google Patents

Description

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【發明之技術領域】 本發明係 特別指能夠產 生器。 一種磁性隨機存取記憶體 生精準及可靠的參考中點 之參考值產生器 f流值之參考值 產 【先前技術】 度、ΓΓίΐΐ取1己；體（MRAM)具有非揮發性、高密集 時，心供t ΐ、抗軸射線等等優點’在讀取記憶資料 iM *k電k源或電壓源流入選擇到的磁性記憶元件

j agnetlc Tunnel Junctlon，MTJ)，讀取立電阻值的 :同以決定資料之數位值。而寫入資料時，一般所使用的 方法為利用位元線（Blt Llne)與字元線（WHte w〇rd Line )，條電流線，感應磁場所交集選擇到的記憶元件之 位置，藉以改變磁性材料之磁性記憶元件的磁化方向，以 更改其資料狀態。如第一圖所示習用磁性隨機存取記憶體 結構示意圖，介於字元線1 1與位元線丨3之間的記憶元件 1 0，為多層磁性金屬材料的堆疊結構，包含了一層軟鐵瑜 材料（Soft Magnetic Layer)、一層非磁性導電層 (Nonmagnetic conductor)或穿隧能障絕緣層（Tunnel

Barrier)、以及一層硬鐵磁材料（Hard Magnetic Uye]f )’藉由上述兩層鐵磁材料的磁化方向平行或反平行，以 決定記憶1或〇的狀態。以目前磁性隨機存取記憶體的 開發現況’其主要架構的記憶單元為使用一個磁性記憶元 件（1MTJ )加一個電晶體（Π )稱為1T1MTJ架構的記憶架 構，形成約20 F2 ( F為technology n〇de的特徵尺寸）的

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五、發明說明（2) 小。如第二圖所示之習用磁性隨機存取記憶體 之1T1MTJ架構示意圖（US5 73 4 6 〇5)，圖中所示為相互垂直 父叉之複數條字元線1 1與位元線丨3，其間穿插設置有複數 個磁性記憶元件1 0與複數個電晶體1 5。再者，習用技術另 提出以不同電阻特性相互並聯，使得記憶元件‘積大： 小的架構。

上在磁性隨機存取記憶體單元中，包含多數個擁有磁電 阻效應’如巨磁阻效應（giant magnet〇 resistanCe GMR)或穿隧磁阻效應（tunneHng magnet〇 resistanCe， TMR )的記憶元件，可寫入及讀出其資料狀態；為了判另^ ’ 記憶資料之邏輯狀態，常藉一個參考值產生器產生一參考 電，以進行與記憶資料之比對。但，隨著記憶元件尺^愈 趨縮小，感應記憶單元之電流的訊號差異漸漸縮小，且由 於製程因素之不均勻性，造成磁性隨機存取記憶體陣列記 憶元件（MTJ Array)彼此間之特性差異，皆有可能造成 項取記憶資料之錯誤。以使用兩個不同電阻特性之磁性記 fe元件加一個電晶體（1 T2MTJ )的記憶架構為例，形成四 穩態（4-States)的記憶讀取機制，需要一組能夠提供三 種I考值的訊號產生器，以判別資料的邏輯值◦同理，若 以使用三個不同電阻特性之磁性記憶元件加一個電晶體 (1T3MTJ)的記憶架構所組成的八穩態（8 —States)的記 fe頊取機制’就需要七個參考值的訊號產生器以判別資 料。 、 現有的1 T1 MT J架構中所使用的中點電阻參考值產生器

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(US Patent 6 3 9 2 9 2 3 )如第三A圖及三B圖所示，其中點 電阻，Rmid係藉記憶單元中電阻特性最大的電阻值 [〇與最小的電阻值（Rmi n) 10,相互串聯及並聯後所得到等 效的中點電阻值Rm i d。但由於此產生器内之參考記情單元 與儲存資料的記憶單元所承受的跨壓不相同，所以利用此 方法產生的麥考訊號會有偏差現象，將來記憶體元件再微 縮下去，雜訊邊緣（N〇1Se Margln )變小，而可能會造成 資料誤判。另外，此種串/並聯相接的方式，接線及光罩 佈局相當複雜，應用在1T2MTJ甚至1TMTJ以上的架構的 名其參考值產生器的體積將會變得相當龐大。 【發明内容】

奉發明 簡化的磁性 參考中點電 料比對，從 異所產生的 值產生器， 缺陷，以提 考值產生器 鄰近，其使 元件及承受 性記憶元件 電壓相關特 移。複數個 為解決上 隨機存取 流訊號， 而解決因 錯誤判斷 來矯正產 供更準確 ’乃是設 用之參考 相同的跨 (Magnet 性（Bias 該參考元 述存在於習之 記憶體之參考 藉以和磁性隨 製程因素造成 ’並且藉由並 生器内的記憶 的參考值訊號 於磁性隨機存 元件係使用與 壓，因此不會 i c Tunnel Ju Dependence : 件藉由使用一 技術上的缺失，使用一 電流值產生器，產生一 機存取記憶體的記憶資 磁性記憶單元之間的差 聯兩組以上的參考電流 元件本身的特性偏差或 者。本發明所提出的參 取記憶體之記憶單元之 記憶體單元相同之記憶 有因磁性記憶體中的磁 nction， MTJ)特有的 1而造成參考值的偏 條或多條位元線組成參

第10頁 1223259 五、發明說明（4) 考值產生器之架構，並藉利用與記憶單元相同的電壓跨接 於上述的參考元件產生複數個電流訊號，並籍一週邊I c電 路二分該複數個電流訊號，得到複數個中點電流參考值’ 可分別供雙穩態（2 - S t a t e s )、四穩態（4 - S t a t e s )及八 穩態（8 _ S t a t e s )以上的多穩態記憶單元讀取資料。 【貫施方式】 請參閱第四圖為本發明參考電流值產生器的電路示意 圖，圖中所示為複數組1T2MTJ架構（2MTJ為兩個不同電阻 特性Rl、R2的磁性記憶元件40及40’ ，1T為一個電晶體42 )利用複數條位元線（Bi t Line ) 41，與複數條字元線43 交錯組成有四個記憶狀態R 1 m a X / / R 2 m a X、R 1 m a X / / R 2 m i η、 Rlmin//R2max及Rlmin//R2min之四穩態記憶單元 (4-states memory cell)之參考電流值產生器400。其 中第一記憶單元401為兩個不同電阻特性Rl、R2的磁性記 憶元件40、 40’ ，加一個電晶體42之1T2MTJ架構，電晶體 42為控制該記憶元件的讀取開關。該第一記憶單元4〇 1預 先設定成具有R1 m a X記憶元件4 0及R 2 m a X記憶元件4 0 ’並產 生111的電流值。同理，第二記憶單元4〇 2預先設定成具有 Rl max記憶元件40及R2min記憶元件40’並產生I 1 〇的電流 值。因此，圖中所示之四穩態記憶單元中最左侧之一條位 元線4 1上之四個磁性記憶元件4 〇、4 0，產生（I 1 1 + 11 〇 )之第 一種參考電流訊號。同理，第三記憶單元40 3預先設定成 具有R1 m i η記憶元件4 〇及R 2 m a X記憶元件4 0，並產生I 0 1的電 流值’因此，中間條位元線4 1之四個磁性記憶元件4 〇、

第11頁 1223259 五、發明說明（5) 4 〇 ’產生（I 1 0 + I 〇 1 )之第二種參考電流訊號。再者，第四 記憶單元404預先設定成具有Rlmin及R2min記憶元件40、 4 0 並產生I 〇 〇的電流值，因此，最右侧一條位元線4 1之四 個磁性記憶元件4 0、4 0，產生（I 0 1 + I 0 0 )之第三種參考電 流訊號。由於此參考值產生器内之磁性記憶元件4 〇、 4 0， 承受與主記憶體中之記憶元件相同之耐壓，所以磁阻與電 壓相關特性（B i a s D e p e n d e n c e )特性相同。將以上三種 參考電流訊號（I 1 1 + I 1 0 )、（ I 1 〇 + I 〇 1 )以及（I 〇 1 + I 〇 〇 )傳出 到週邊讀出電路（圖中未示）再除以二可得到 (I Π + 11 0 ) / 2 、（ 11 〇 + I 〇 1) / 2 和（I 0 1 + I 0 0 ) / 2 之三個中點 電流參考值。由於週邊的讀出電路乃用傳統的I C製程，所 以相當的準確，依照此方式產生的參考中點電流值，再與 記憶單元的感應訊號進行比較，便可準確的判別資料。 請參閱第五圖本發明之中點電流參考值產生器5 0 〇之 並聯電路示意圖。係利用位元線（5 1，5 2，5 3 )連接並聯另 一組如第四圖所示之四穩態參考值產生器4 〇 〇，以此複數 们參考值產生為之組合累加所生成的參考電流’送到週邊 的讀出電路後再除以四，可得到更精確的參考中點電流 值。圖示之兩組參考值產生器4 〇 〇、 4 0 0共用第一位元線 51後產生電流值2 X (111 + 11〇)，另外共用第二位元線52產 生電流值2 X (110 + 101)，第三位元線53產生電流值2 X (1 0 1 H 0 0 )。將第一位元線5 1產生的2 X (111 + 11 0 )電流值 以週邊電路除以四，便能產生準確的（丨丨丨+丨丨〇 ) / 2中點電 流值。依此方法可將參考值產生器内的磁性記憶元件訊號

第12頁 1223259 五、發明說明（6) 取平均值，以消除在參考值產生器内之磁性記憶元件本身 之特性偏差或缺陷所造成的參考值偏差。因此，可以增加 記憶資料之判別率。同理，並聯複數組（N組）的參考值 產生器4 0.0，其中一條位元線產生N ( 111 + I 1 0 )的電流值， 再傳達至週邊的讀出電路並除以2 N ，即形成精確、高可 靠性的參考中點電流值。 第六圖係為四穩態記憶陣列6 0 0與第五圖之參考值產 生器5 0 0的組合示意圖，該記憶陣列6 0 0圖中之記憶單元 6 0 1中含兩個不同電阻特性（R 1、R 2 )之磁性記憶元件 6 0、 60’，若以相同電壓跨接其上，可產生之電流訊號 分別為I 1 1、11 0、I 0 1以及I 0 0。將本發明的參考值產生 器5 0 0設於記憶陣列6 0 0的附近，藉此將記憶陣列6 0 0可能 產生的I 1 1、11 0、I 0 1或I 0 0之一的電流訊號及參考值產生 器5 0 0產生之三個電流訊號分別傳入感應放大電路（即週 邊讀取電路）6 5，並形成三個中點電流參考值（111 + 11 〇 ) /2 、（ I 1 〇 + I 0 1 ) / 2以及（I 0 1 + I 0 0 ) / 2，再藉由該三個中點 電流參考值區別四個資料記憶單元6 〇 1，以獲得磁性記憶 元件6 0、6 0，之邏輯狀態。 第七圖係為本發明另一種參考值產生器7 〇 〇 之實施示 心圖 圖式為1 丁 1 Μ T J架構之雙穩態記憶單元（2 - s t a t e s memoir eel 1 )的實施例，預先設定好大小兩個電阻值 (RmaX、Rm 1 n )的第一記憶元件7 1及第二記憶元件7 2分別 跨接於兩條字元線7 3，並以相同於記憶體陣列9 0 0的記憶 元件所使用之電壓跨接其上，產生I πι a X + I m i η之電流再經

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由位兀線74傳入感應放大器”内產生了參考中點電流值， 再與口己k體陣列9 0 0所傳入之感應電流訊號進行比較，以 彌補因磁性圮fe兀件特有的電壓相關特性，造成參考值的 偏移。

第八圖係為如第七圖之參考值產生器7 0 0兩組並聯成 的參考值產生器8 0 0之實施示意圖，該記憶單元預先設定 有Rmax及Rmin兩種電阻狀態的第一記憶元件82及第二記憶 元件8 3 ’同樣以相同於記憶體陣列9 〇 〇的電壓跨接其上， 產生了 2 X ( Imax + Imin )電流，再經由共同之位元線81 傳入感應放大器7 5產生精確的參考中點電流值，供與記憶 體陣列9 0 0的記憶資料進行比較。利用該位元線8丨可以並 聯複數（N )組參考值產生器，產生N (I m a X + I m i η)之電流 值，傳達至感應放大器7 5再除以2 Ν，產生更準確的參考中 點電流值（I max+ I m 1 η ) / 2，藉此可消除在參考值產生器内 之磁性記憶元件本身之特性偏差或缺陷所造成的參考值偏 差。 綜上所述，本發明之參考值產生器，利用與複數個記 憶單元相同的記憶元件及承受相同的跨壓，產生參考電流 訊號，再利用傳統I C電路二分該電流訊號，產生精確的中 點電流參考值，來與主記憶體陣列之感應電流比較。另 外，藉由並聯多組上述的參考值產生器，更可消弭參考值 產生器本身之缺陷效應，使得參考值更加準確，避免對記 憶資料之誤判。又，本發明之參考值產生器可提供雙穩態 (2-States)、四穩態（4 — states)及八穩態（8-States

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第15頁 1223259 圖式簡單說明 【圖示簡單說明】 第一圖為習用技術磁性記憶體結構示意圖； 第二圖為習用技術磁性隨機存取記憶體之1 τ 1 MT J架構示意 圖； 第三A圖為習用技術之中點電阻值選擇示意圖； 第三B圖為習用技術之參考記憶單元組合架構示意圖； 第四圖為本發明參考電流值產生器的電路示意圖； 第五圖為本發明之中點電流參考值產生器之並聯電路示意 圖； 第六圖為四穩態記憶單元與第五圖之參考值產生器的組合 不意圖， 第七圖為本發明另一種參考值產生器之實施示意圖； 第八圖為如第七圖之參考值產生器兩組並聯成的參考值產 生器之實施示意圖。 【符號說明】 1 0、1 0 ’ 記憶元件； 11、43、73 字元線； 13、41、51、52、53、74、81 位元線； 15、42 電晶體； 40 0、500、7 0 0、8 0 0參考值產生器； 4 0、4 0 ’ 磁性記憶元件； 4 0 1第一記憶單元； 4 0 2第二記憶單元； 4 0 3第三記憶單元；

第16頁 1223259 圖式簡單說明 4 0 4第四記憶單元； 6 0 0記憶體陣歹U ； 6 0 1記憶體早元； 6 0、6 0 ’ 磁性記憶元件 6 5、7 5感應放大器； 71 72 82第 83第 記憶元件 記憶元件

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Claims (1)

1223259 六、申請專利範圍 ' '~ 1. 一種磁性隨機存取記憶體之參考中點電流產生器，係供 包δ四％悲吕己憶單元（4 一 s t a t e m e m〇r y c e 1 1 )以上之 多穩惡記憶單元的資料讀取，包括有： 複數個具有兩個以上不同電阻特性的參考元件 (r e f e r e n c e e 1 e m e n t )，使用複數條位元線；該參 考元件相同於記憶單元（m e m o r y c e 1 1 )的記憶元 件’且與記憶元件承受相同的耐壓；

利用與記憶單元相同的電壓跨接於上述的參考元件產生 複數個電流訊號；|藉/週邊I C電路二分該複數個電 流訊號’得到複數個中點電流參考值。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之參考中點電流產生器，係 供四穩態之記憶單元的資料讀取，其中該參考元件具有 兩個不同電阻特性，·使用三條的位元線，產生三個電流 訊號，及三個中點電流參考值。 3 ·如申請專利範圍第2項所述之參考中點電流產生器，其 中該參考元件預設有四個記憶狀態R1 m a X // R 2 m a X、 Rlmax//R2min、Rlmin//R2max 及 Rlmin//R2min，依此產

生（Π 1 + I 1 〇 )、（ π 0 + I 〇 1 )以及（I 0 1 + I 0 0 )之三個電流訊 號，以及（I 1 1 + I 1 〇 ) / 2 、（:[ 1 0 + I 0 1 ) / 2 和（I 0 1 + I 0 〇 ) / 2 之三個中點電流參考值。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之參考中點電流產生器，其 中並聯兩組以上（N組）的參考中點電流產生器，以產 生更精確的參考中點電流值。 5 ·如申請專利範圍第3項所述之參考中點電流產生器，其

第18頁 1223259 六、申請專利範圍 中並聯兩組以上（N組）的參考中點電流產生器，依此 產生N (111 + 110)、N (110 + 101)以及N (101 + 100)之三 個電流訊號，及經週邊I C電路2 N等分，得到 (111 + 110)/2、 （110 + 101)/2 和（101 + 100)/2 之三個中 點電流參考值。 Λ 6 ·如申請專利範圍第1項所述之參考中點電流產生器，係 · 供多穩態（Μ - s t a t e s )之記憶單元的資料讀取，係使用 (M— 1 )條的位元線，產生（M_ 1 )個電流訊號，及（Μ- 1 )個 中點電流參考值。 7 · —種磁性隨機存取記憶體之參考中點電流產生器，係供 參 雙穩悲記憶單元（2 — s t a t e m e m 〇 r y c e 1 1 )的資料讀 取，包括有： 一個以上的參考元件（reference element)，使用一 條位元線，該參考元件相同於記憶單元（m e m 〇 r y ce 1 1 )的記憶元件，且與記憶元件承受相同的耐壓； 利用與記憶單元相同的電壓跨接於上述的參考元件產生 一電流訊號；並藉一週邊I C電路二分該電流訊號得到 一中點電流參考值。 8.如申請專利範圍第7項所述之參考中點電流產生器，其 中該參考元件預設有二個記憶狀態Rmax及Rmin，依此產籲 生（Imax+Imiri)之電流訊號，以及（Iinax+Iiiiin)/2之中點 電流茶考值。 9 ·如申请專利範圍第7項户斤述之參考中點電流產生器，其 中並聯兩組以上（N組）的參考中點電流產生器，以產

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