CN1270696A - 存储单元装置及其作为磁性ram与联合存储器的应用 - Google Patents

存储单元装置及其作为磁性ram与联合存储器的应用 Download PDF

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Abstract

一种存储单元装置,带有字线(WLj)及与之垂直的位线(BLi)。在每个字线与位线之间接有一个磁阻效应(GMR)极大的存储元件(Si,j)。位线(BLi)均接在一个读放大器(OPi)上,利用该读放大器,各位线(BLi)的电位可调整为一个参考电位,且在读放大器上可量取一个输出信号。这种存储单元装置既可装配成MRAM,也装配成联合存储器。

Description

存储单元装置及其作为 磁性RAM与联合存储器的应用
本发明涉及一种存储单元装置，它的存储元件具有一种磁阻效应极大(GMR)的层状结构。
在专业领域内，采用GMR元件概念作为层状结构，该层状结构至少带有两个铁磁层，在两个铁磁层之间装有一个非磁性层，而且，这种层状结构具有所谓的GMR(强磁阻)效应，也就是说，其磁阻效应极大。在GMR效应下，GMR元件的电阻处决于两铁磁层中的磁化作用是否达到平行或不平行。
文章(作为例子，参考D.D.Tang等人，IEDM95，第997-999页，D.D.Tang等人，IEEE关于磁学的学术报告，卷31，Nr.6，1995，第3206-3208页，F.W.Patten等人，国际非易失存储器技术参考，1996，第1-2页)中曾建议在一种存储单元装置中采用此类GMR元件作为存储元件。对此，GMR元件被用作存储元件，典型地，其铁磁层的磁化方向由附近的抗铁磁层进行定位。存储元件通过位线进行列连接。字线与列线垂直，它们与列线及存储元件之间都是绝缘的。由于字线内的电流作用，字线上的信号将引发一个磁场，该磁场便对位于其中的存储元件产生作用。为了写入信息，在交叉位于所写存储单元之上的位线及字线中载入信号，这些信号在交叉点上产生一个足够大的磁场，以起到反复磁化作用。为了读出信息，在字线上加载了一个脉冲信号，相关的存储单元利用该脉冲信号可以在两种磁化状态之间切入或切出。通过位线测量出电流值，由这些电流值便可测出相应存储元件的电阻值。
在S.Tehrani等人，IEDM96，第193 ff.页中，建议采用一种GMR元件作为存储元件，该GMR元件带有厚度各不相同的铁磁层。为写入信息，磁场作如下测定，即磁场只在两个铁磁层中较薄的一层中产生作用。磁化对两铁磁层中较厚的一层不产生作用。
对于这种存储单元装置，在利用脉冲信号进行读出的过程中，将需要很高的电路费用。
本发明的问题在于，提供一种带GMR元件的存储单元装置，其读出的电路费用可以很低。
这个问题可根据权利要求1所述的存储单元装置来实现。发明的其它构成方式由剩余的权利要求给出。
这种存储单元装置带有基本相互平行的字线及基本相互平行的位线，其中，字线同位线互相垂直。它的存储元件具有一种磁阻效应极大(GMR)的层状结构，亦称GMR元件，这些元件均接于字线与位线之间，且其电阻比字线与位线高得多。位线均与一种读放大器相连，通过该读放大器，每个位线可将电位调整到参考电位值，并可在读放大器上量取一个输出信号。为读出这种存储单元装置，所有未选定的字线都处于参考电位位置。而选定字线上的信号为另一种电位值。为此，电流通径为从选定的字线流向所有位线。根据各读放大器的输出信号，可由位于字线和各位线交叉点上的存储元件电阻来确定该读放大器的电气参数，如反馈电阻、参考电位、位线电阻等等。在读出这种存储单元装置时不需要脉冲信号。
优选地，读放大器内带有一种带反馈的运算放大器。运算放大器的非反相输入端同参考电位，如大地相连。位线与反相输入端相连。若参考电位为0V，在运算放大器安全的情况下，位线的电位即为0V。运算放大器的输出信号为所选存储元件电阻的一个测定标度。
在两种磁化状态下，假使GMR元件的电阻比位线及字线的电阻都要大得多，那么大家熟悉的所有GMR元件都可用来作为存储元件。电流在垂直流过叠层时所产生的GMR效应要比电流平行流过各层时大。
优选地，存储元件都带有两个铁磁层，在两个铁磁层之间装设一个非磁性的绝缘层。两个铁磁层中有一层装设在一种抗铁磁层附近，由该抗铁磁层来确定附近铁磁层中磁化作用的极化方向。每个存储元件均有两种磁化状态。采用绝缘非磁性层是比较有利的，其原因在于，在该构造中，通过在两个铁磁层之间装设一种绝缘非磁性层，便可利用自旋极化隧道电流来产生GMR效应，该效应比采用非绝缘非磁性层时要大得多。因此，可更好地区别不同的电阻值，在该存储单元装置中，电阻值设置为两个不同的逻辑值0与1。
替换的，存储元件也可都带两个铁磁层，在两个铁磁层之间装设一个非磁性绝缘层，两铁磁层中，其中一个比另一个铁磁层厚，或者，两铁磁层由磁性能各不相同的不同材料组成，或者，存储元件还带有一个非磁性的非绝缘层。
其它材料也可适用于这种铁磁层，它们至少含有下述元素之一，Fe、Ni、Co、Cr、Mn、Gd。铁磁层的最大厚度为20nm，优选地，其值位于2-10nm之间。对于用作隧道绝缘体的非磁性层来说，Al2O3、NiO、HfO2或TiO2、NbO、SiO2等绝缘材料比较适合。作为非绝缘材料，Cu或Ag适合用作非磁性层。非磁性层的厚度位于1-4nm之间，优选地为2-3nm。
为了往一个存储元件中写入信息，可在相关的字线与相关的位线上载入一个信号。由此，便有电流流经字线和位线，它们分别感应出一个磁场。在字线与位线的交叉点上有一个总磁场，它由两个磁场叠加产生，其大小能够使得该处的存储元件产生反复磁化作用。交叉点之外的单个磁场对该处的存储元件只产生极小的反复磁化作用。
在应用中，为了进行写入工作，需要一个较高的磁场，或使磁场达到一个期望值，另外，还可带有相互平行的写入线，如，这些写入线与位线基本保持平行，这也属于本发明的框架范围之内。写入线对着字线，且与位线保持绝缘。通过在相应的写入线上加载一个信号，交叉点上的磁场就可利用选定的字线进行放大，由此便补充了写入过程。
这种存储单元装置适合用作磁性RAM(MRAM)。
此外，该存储单元装置还可用作联合存储器进行工作。对此，每个位线都配给一种阈值元件，阈值元件同各个位线的读放大器输出端相接。
在一种联合存储器中，典型地，如K.Goser等人，IEEE Micro，9(1989)6，第28-44页所公布的，所有字线上都同时加有一个输入信号。输入信号与字线的位数相同。各个位线上有一个总电流，并利用阈值元件形成一个输出信号。在Goser等人，IEEE Micro，9(1989)6，第28-44页公布的联合存储器中，存储单元由一个常规的电阻或晶体管组成，并且交叉连接于字线与位线之间。在工作期间，该常规电阻及晶体管的值是不会改变的，这样存储器就不具备学习能力。同时，这种存储单元可实现为一种EEPROM单元，以实现编程的目的，然而它的制造费用较高。
如果采用本发明存储单元装置作为联合存储器，它会产生一个优点，即在工作期间，存储元件内的GMR元件可以随意进行频繁的反复编程。由此，联合存储器在工作期间可以学习到信息。
在本发明的另一种实施方案中，每两个位线带有一个差分放大器。差分放大器的输入端接在相关位线的读放大器输出端子上。该存储单元装置同样可优选地用作联合存储器，其中，每个存储元件都接在两个位线之间，且接有相同的字线，各存储元件相互互补地进行编程。读出时，在一个位线上形成另一个位线的互补信号。在差分放大器内，由这些互补信号形成输出信号。这种差分法改善了抗干扰性能，以防止过程变化太大。
下面根据附图所述的实施例来详细阐明本发明。
附图1为一种MRAM-装置的构造图。
附图2展示了一种带有相关位线、字线及写入线的存储元件。
附图3展示了一种联合存储器，它的每个位线都与一个阈值元件相连。
附图4展示了一种联合存储器，其中，每两个相邻的位线互补地进行编程，且同一个差分放大器相连。
存储单元装置带有相互基本平行的位线BLi，i＝1，2，...n。与之垂直的为字线WLj，j＝1，2，...m。字线WLj同样也相互基本平行。在位线BLi与字线WLj的交叉点上均布有一个存储元件Si，j(参考附图1)。
各个位线BLi都连接在运算放大器OPi，i＝1，2，...n的反相输入端上。运算放大器OPi的非反相输入端接在地电位上。运算放大器OPi带有反馈功能，其反馈电阻为Rki。每个运算放大器OPi还带有一个输出端Ai。
存储元件Si，j均带有第一个铁磁层1、非磁性层2、第二个铁磁层3以及抗铁磁层4(参考附图2)。第一个铁磁层1、非磁性层2、第二个铁磁层3表现为一种层状结构。典型地，第一个铁磁层1与第二个铁磁层3含有NiFe，其厚度为10nm。非磁性层2含有Al2O3，其厚度为2-3nm。抗铁磁层4含有FeMn，其厚度为10-20nm。在由位线BLi与字线WLj夹紧的平面内，存储元件Si，j的典型截面积为0.25μm×0.25μm。
位线BLi及字线WLi均由Al、Cu组成，在确定其厚度时，Al中的电流密度不超过106A/cm2。
第一个铁磁层1邻接在字线WLj上。抗铁磁层4邻接在位线BLi上。位线BLi位于字线WLj的上方。当然，位线BLi也可位于字线WLj的下方。
字线WLj的下方为绝缘层5，典型地，它由SiO2组成，且厚度为10nm。该绝缘层将字线WLj和与其垂直的写入线SLi隔离开来。写入线SLi，i＝1...n相互间基本平行。写入线SLi位于位线BLi的下方。
在这种存储单元装置中，存储元件Si，j均为逻辑值0与1配置了一个电阻值。
为了读出存储单元装置内所存储的信息，需要对字线WLj进行控制，以读出存于存储元件Si，j内的信息。对此，字线WLj被设为一种电位，如+1V。而其它所有的字线WLl，l≠j被设为0V。同样，所有位线BLi，i＝1...n的电位也为0V，其原因在于，它们是连接在带反馈的运算放大器的反相输入端上，而该输入端总是调整在0V状态。运算放大器OPi的输出端Ai上可量取一个电压
Uout＝1V*R/(Rx+Rl)在此，R为反馈电阻Rki的电阻值，Rx为存储元件Si，j的电阻值，而Rl为字线WLj与位线BLi的导电元件电阻值，在该导电元件中流经有电流。由于其它值都已经知道，所以根据上述电压值可计算出存储元件Si，j的电阻值Rx。
位线BLi及字线WLj由金属组成，因此它们的电阻都很小。反馈电阻RKi典型地为100KΩ。如果第一个铁磁层1与第二个铁磁层3的磁化方向平行，则存储元件Si，j的电阻Rx约为100 KΩ，如果第一个铁磁层1与第二个铁磁层3的磁化方向不平行，则存储元件Si，j的电阻Rx为110 KΩ。位线BLi有100根，字线WLj有10000根。由此，根据上述存储元件Si，j的电阻值，输出信号的变化为100mV。若电阻比值R/(Rx+R1)为10，运算放大器OPi输出端Ai的电压值可放大到1V。
由于所有位线BLi的电压为0V，所以位线BLi之间不会产生寄生电流。电路路径只是在选定的字线WLj与所有位线之间流动。因而它有以下优点，即采用的字线WLj数目要多于位线BLi的数目。优选地，对于1Mbit的存储单元装置，它可由n＝100个位线BLi与m＝10000个字线构成。为此，只需要100个读放大器。100个存储元件Si，j都带有一个约为1 KΩ的电阻，这些存储元件组成的并联电路将产生一种电流流入选定的字线WLj。由于此处的位线BLi不需要再充电，所以它们的长度并不重要。
为了往存储单元Si，j中写入信息，写入线SLi及字线WLj均要加入一定毫安级的电流。该电流在写入线SLi及字线WLj的周围分别感应出一个磁场，此磁场则在写入线SLi与字线WLj的交叉点上对第一个铁磁层1产生磁化作用。第二个铁磁层3的磁化作用由其附近的抗铁磁层4来确定。
当然，写入线SLi也可同字线WLj保持平行。在这种情形下，通过控制位线BLi与写入线来写入信息。
在一种可作为联合存储器装配的存储单元装置中，带有相互平行的字线WL’j，j＝1...m，以及与之垂直的基本相互平行的位线BL’i，i＝1...n(参考附图3)。在位线BL’i与字线WL’j的交叉点上均装有一个存储元件S’i，j。存储元件S’i，j的构造类似于附图2所述的存储元件Si，j。位线BL’i均连接在运算放大器OP’i的反相输入端上，而放大器的非反相输入端与地电位相连，且带有反馈。运算放大器OP’i带有一个反馈电阻RK’i。运算放大器OP’i的输出端同阈值元件SWi的输入端相接。典型地，阈值元件SWi为一种高放大倍数的运算放大器，如放大倍数＞100，或者为施密特触发器。运算放大器OP’i的测定方法与附图1及2所述的实施范例一样。
存储元件S’i，j可进行自由编程。此时有电流流经位线BL’I及字线WL’j。由此在位线BL’i与字线WL’j的周围感应出一个磁场。上述电流作如下选择，即该电流在位线BL’i与字线WL’j的交叉点处，也即在存储元件S’i，j处产生的磁场应当能够对存储元件S’i，j的第一个铁磁层产生磁化作用，并由此引起存储元件S’i，j的电阻变化。而在位线BL’i与字线WL’j的其它所有存储元件处的磁场都不足够产生磁化和引起电阻变化。根据电流方向，这种较大或较小的电阻值被编入存储元件S’i，j之中。
为了读出存储单元装置，在字线WL’j，j＝1...m上加入一个信号，其形式为一种带m个分量的输入向量X。在此，X的分量设定为0V或Vdd。例如，Vdd采取1V。经过存储元件S’i，j，j＝1...m有一个电流流入位线BL’i。这种总电流将流经反馈电阻RK’i，原因是，运算放大器OP’i的输入电阻极高，譬如大于100兆欧，而且调整电压Ui使得位线BL’i的电压为0V。根据运算放大器OP’i的电压Ui，阈值元件SWi形成一个输出值Yi，其大小可设为0V或Vdd。
另外还有一种存储单元装置，它同样适合用作联合存储器，它带有相互基本平行的字线WL”j，j＝1...m，以及与之垂直的基本相互平行的位线BL”i，i＝1...n(参考附图4)。在位线BL”i与字线WL”j的交叉点上均装有一个存储元件S”i，j，其构成形式类似于上文实施例。位线BL”i均连接在运算放大器OP”i的反相输入端上，而放大器的非反相输入端与地电位相连，且带有反馈。运算放大器OP”i带有一个反馈电阻RK”i。相邻位线BL”i，BL”i+1的运算放大器OP”i，OP”i+1其输出端接在差分放大器DVi，i＝1，3，5，...n-1的输入端子上(参考附图4)。
往这种存储单元装置内写入信息其过程类似于附图3所述的例子。在此，相邻位线BL”I、BL”i+1的存储元件S”i，j、S”i+1，j接在同一个差分放大器DVi上，且它们互补地进行编程。
在读出时，其过程类似于附图3所述的实施范例，在位线BL”i上将产生另一个位线BL”i+1的互补信号。运算放大器OP”I、OP”i+1的输出电压Ui，Ui+1给到差分放大器DVi上，以产生输出信号Yi。由此，一些干扰影响，如返回到过程变化的影响等可得到消除。

Claims (11)

1.一种存储单元装置，
—它带有许多相互基本平行的字线和许多相互基本平行的位线，且字线与位线垂直，
—其存储元件具有一种磁阻效应(GMR)极大的层状结构，且连接在一个字线与一个位线之间，它的电阻要比字线和位线高，
—它的位线均连接在一个读放大器上，利用读放大器每个位线上的电位可调整为一个参考电位，并且在读放大器上可量取一个输出信号。
2.根据权利要求1的存储单元装置，其中，读放大器含有一个带反馈的运算放大器。
3.根据权利要求1或2的存储单元装置，
—存储元件均带有两个铁磁层，且在两个铁磁层之间装有一个非磁性层，
—带有一个抗铁磁层，该抗铁磁层位于一个铁磁层的附近，并由它来确定附近铁磁层中磁化作用的极化方向，
—存储元件均具有两种磁化状态。
4.根据权利要求3的存储单元装置，
—它的每个铁磁层至少含有下述元素之一，即Fe、Ni、Co、Cr、Mn、Gd，
—其铁磁层的厚度均小于或等于20nm，
—它的非磁性层至少含有下述材料之一，即Al2O3、NiO、HfO2、TiO2、NbO、SiO2，其厚度位于1-4nm之间。
5.根据权利要求1-4之一的存储单元装置，其中，存储元件在字线与位线所夹紧的平面内的尺寸范围为0.1μm×0.1μm-2μm×20μm。
6.根据权利要求1-5之一的存储单元装置，其中，字线的数目要多于位线的数目。
7.根据权利要求1-6之一的存储单元装置，其中，带有基本平行的写入线，该写入线同字线及位线保持绝缘。
8.根据权利要求1-6之一的存储单元装置，其中，对于位线提供有阈值元件，而这些阈值元件分别连接在读放大器的输出端上。
9.根据权利要求1-7之一的存储单元装置，其中，对于每两个位线都提供有一个差分放大器，而差分放大器的输入端分别连接在相关位线的读放大器输出端子上。
10.存储单元装置按照权利要求1-7之一作为磁性RAM的应用。
11.存储单元装置按照权利要求8或9作为联合存储器的应用。
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