專利名稱：具有多位單元陣列結(jié)構(gòu)的磁阻隨機存取存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁阻隨機存取存儲器(RAM)，更特別地，涉及具有多位單元陣列結(jié)構(gòu)的磁阻RAM。
背景技術(shù)：
磁隨機存取存儲器(RAM)設(shè)備由連接到晶體管的多個可變電阻部件實現(xiàn)。這樣的磁RAM是一種存儲器設(shè)備，其通過改變各個鐵磁薄膜的磁化方向來寫入信息，并通過感測由各個鐵磁薄膜的方向改變而引起的電流變化來讀出信息。由于鐵磁薄膜的固有特性，磁RAM是非易失性的，并能實現(xiàn)高速操作、低功耗和高集成度。
在磁RAM中，存儲器設(shè)備使用巨磁阻(GMR)效應(yīng)或隧道磁阻(TMR)效應(yīng)來實現(xiàn)。
使用GMR效應(yīng)的磁RAM，利用了電阻根據(jù)在其中具有非磁性層的兩個磁性層是否在同一方向或相反方向被磁化而改變這一事實。使用自旋極化磁導(dǎo)效應(yīng)的磁RAM，利用了穿過插入在兩個磁性層之間的絕緣層的電子的磁導(dǎo)率在磁性層被磁化為同一方向時大于磁性層被磁化為相反方向時這一事實。圖1顯示了通常的磁RAM結(jié)構(gòu)。
圖1顯示了使用自旋極化磁導(dǎo)效應(yīng)的磁RAM 100。參見圖1，磁RAM 100包括由來自字線WL的控制信號控制的訪問晶體管TR和電連接到訪問晶體管TR的用于存儲數(shù)據(jù)的磁隧道結(jié)(MTJ)。磁RAM 100還包括數(shù)字線DL和連接到MTJ的位線BL。MTJ包括固定鐵磁層30、隧道壁壘層20和自由鐵磁層10。
自由鐵磁層10的磁化方向可以由垂直于MTJ的縱向軸流動的電流改變。因此，由于數(shù)字線DL被排列為垂直于MTJ的縱向軸，那么流過數(shù)字線DL的電流可以控制自由鐵磁層10的磁化方向。此外，如果位線BL被排列為垂直于MTJ的縱向軸，那么流過位線BL的電流可以控制自由鐵磁層10的磁化方向。位線BL用于讀出數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)，而數(shù)字線DL用于寫入數(shù)據(jù)。數(shù)字線DL被排列成平行于字線WL。
當(dāng)磁RAM 100工作時，感測電流以垂直于MTJ縱向軸的方向流過隧道壁壘層20。根據(jù)自由鐵磁層10的磁化方向，固定鐵磁層30和自由鐵磁層10的磁化方向可以是同一方向或相反方向。自由鐵磁層10和固定鐵磁層30的磁化方向影響感測電流。
如果自由鐵磁層10的磁化方向與固定鐵磁層30的磁化方向相反，那么MTJ的電阻就增加，這會減少感測電流。如果自由鐵磁層10的磁化方向與固定鐵磁層30的磁化方向相同，那么MTJ的電阻就降低，這會增加感測電流。存儲在磁RAM 100中的數(shù)據(jù)由該電阻決定。為了在磁RAM 100中寫入數(shù)據(jù)，響應(yīng)于通過字線WL傳送的信號將訪問晶體管TR關(guān)閉，因此導(dǎo)致通過數(shù)字線DL的電流。如果電流流過位線BL，則MTJ的自由鐵磁層10的磁化方向由通過數(shù)字線DL和位線BL的電流形成的磁場的矢量和決定。
為了從磁RAM 100中讀出數(shù)據(jù)，響應(yīng)于通過字線WL傳送的信號將訪問晶體管TR導(dǎo)通，因此形成接地的電流路徑。如果自由鐵磁層10的磁化方向等于固定鐵磁層30的磁化方向，相應(yīng)地MTJ具有相對較小的電阻，那么由位線BL供給的恒電流會在MTJ兩端產(chǎn)生相應(yīng)的低電壓。
如果自由鐵磁層10的磁化方向與固定鐵磁層30的磁化方向相反，相應(yīng)地MTJ具有相對較大的電阻，那么由位線BL供給的恒電流會在MTJ兩端產(chǎn)生相應(yīng)的高電壓。因此，通過測量在MTJ兩端的電壓，就可以讀出存儲在磁RAM 100中的數(shù)據(jù)。
圖2顯示了由美國專利5,930,164公開的傳統(tǒng)多位磁RAM的結(jié)構(gòu)。該磁RAM 200具有包括通過傳導(dǎo)層13彼此電連接的兩個MTJ 11和12的堆疊結(jié)構(gòu)。這兩個MTJ 11和12具有不同的電阻和磁滯特性。
通過使MTJ 11的隧道壁壘層113的厚度與MTJ 12的隧道壁壘層123的厚度不同，這兩個MTJ 11和12可以具有不同的電阻。而且，通過使MTJ11的自由鐵磁層112的厚度與MTJ 12的自由鐵磁層122的厚度不同，這兩個MTJ 11和12可以由不同的磁場開關(guān)。當(dāng)數(shù)據(jù)被讀取時，將利用這兩個MTJ 11和12的電阻彼此不同的事實。
假定MTJ 11的最小電阻和最大電阻分別是min(R1)和max(R1+ΔR1)，MTJ 12的最小電阻和最大電阻分別是min(R2)和max(R2+ΔR2)。當(dāng)寫入MTJ11和12的數(shù)據(jù)是00(寫成(MTJ 11，MTJ 12)＝00)時，MTJ 11和12的總電阻是R1+R2。當(dāng)(MTJ 11，MTJ 12)＝10時，MTJ 11和12的總電阻是R1+R2+ΔR1。當(dāng)(MTJ 11，MTJ 12)＝01時，MTJ 11和12的總電阻值是R1+R2+ΔR2。當(dāng)(MTJ 11，MTJ 12)＝11時，MTJ 11和12的總電阻是R1+R2+ΔR1+ΔR2。
相應(yīng)地，當(dāng)數(shù)據(jù)被讀取時，因為當(dāng)預(yù)定電流被施加到磁RAM 200時，由于MTJ 11和MTJ 12對應(yīng)于所寫入的數(shù)據(jù)具有不同的電阻而在位線BL上檢測到不同的電壓，所以寫入這兩個MTJ 11和12的2位數(shù)據(jù)可以按照該檢測電壓被感應(yīng)出。
當(dāng)數(shù)據(jù)被寫入時，利用了這兩個MTJ 11和12的磁滯特性彼此不同的事實。由于MTJ 11和12由不同的磁場開關(guān)，根據(jù)它們不同的磁滯特性，通過調(diào)整流過數(shù)字線(未顯示)的電流，可以在一個單元中寫入所希望的多位數(shù)據(jù)。
為了寫入數(shù)據(jù)‘00’或‘11’，即，設(shè)置(MTJ 11，MTJ 12)＝00或(MTJ11，MTJ 12)＝11，需要較大地增加或減小磁場。為了寫入數(shù)據(jù)‘01’或‘10’，即，設(shè)置(MTJ 11，MTJ 12)＝01或(MTJ 11，MTJ 12)＝10，需要兩個寫操作。例如，為了寫入數(shù)據(jù)‘01’((MTJ 11，MTJ 12)＝01)，用于寫入數(shù)據(jù)‘00’((MTJ 11，MTJ 12)＝00)的磁場被施加到單元，接著是寫入數(shù)據(jù)‘01’((MTJ 11，MTJ 12)＝01)的磁場。
為了寫入數(shù)據(jù)‘10’，即，設(shè)置(MTJ 11，MTJ 12)＝10，用于寫入數(shù)據(jù)‘11’((MTJ 11，MTJ 12)＝11)的磁場被施加到單元，接著是寫入數(shù)據(jù)‘10’((MTJ 11，MTJ 12)＝10)的磁場。
相應(yīng)地，為了在具有圖2所示的單元陣列結(jié)構(gòu)的磁RAM 200中寫入數(shù)據(jù)，磁場的方向和大小都需要被調(diào)整。而且，為了寫入數(shù)據(jù)“01”或“10”，需要多步驟寫處理。
此外，在寫操作期間，很難通過調(diào)整電流的大小和方向來準確地施加所希望數(shù)量的磁場。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，磁RAM包括形成在襯底上的訪問晶體管、第一至第三可變電阻元件和第一至第三電流供給線。
第一至第三可變電阻元件堆疊于該訪問晶體管與位線之間，并且該第一至第三可變電阻元件在電氣上彼此相連。
第一至第三可變電阻元件具有相同的電阻特性。第一至第三可變電阻元件中的每一個都包括固定鐵磁層。共享有雙向電流流過的第一至第三電流供給線之一的第一至第三可變電阻元件中的兩個的固定鐵磁層的磁化方向是彼此相反的。
相同的數(shù)據(jù)被寫入這兩個共享有雙向電流流過的第一至第三電流供給線之一的可變電阻元件。
在磁RAM中，預(yù)定傳導(dǎo)層通過該第一至第三電流供給線。位線和第二電流供給線正交于第一和第三電流供給線。
第一至第三可變電阻元件的縱向軸與位線和第二電流供給線平行排列，并且，響應(yīng)于流過第一至第三電流供給線中的雙向電流，數(shù)據(jù)被寫入該第一至第三可變電阻元件。
第一至第三可變電阻元件的縱向軸與位線和第二電流供給線垂直，并且，響應(yīng)于流過位線和第二電流供給線中的雙向電流，數(shù)據(jù)被寫入該第一至第三可變電阻元件。該第一至第三可變電阻元件由磁阻材料構(gòu)成。
按照本發(fā)明的實施例，磁RAM包括形成在襯底上的訪問晶體管、第一和第二可變電阻元件和電流供給線。
第一和第二可變電阻元件形成在訪問晶體管上，并且，該第一和第二可變電阻元件在電氣上彼此相連。位線形成在第二可變電阻元件上。電流供給線被分別布置在相鄰的兩個訪問晶體管和第一和第二可變電阻元件之間。該第一可變電阻元件與該第二可變電阻元件具有不同的電阻特性。
按照本發(fā)明的一個實施例，能同時寫或讀n位數(shù)據(jù)的磁RAM包括形成在襯底上的訪問晶體管、第一至第(2n-1)可變電阻元件和第一至第(2n-1)電流供給線。
第一至第(2n-1)可變電阻元件被堆疊于該訪問晶體管與位線之間，并且該第一至第(2n-1)可變電阻元件在電氣上彼此相連。
第一至第(2n-1)電流供給線與第一至第(2n-1)可變電阻元件交替堆疊。
按照本發(fā)明的一個實施例，能同時寫或讀多位數(shù)據(jù)的磁RAM包括形成在襯底上的訪問晶體管、位線、交替應(yīng)用在該訪問晶體管上的數(shù)字線、布置在位線和數(shù)字線之間的在電氣上彼此相連的多個可變電阻元件。


通過參考附圖詳細地描述示例性實施例，本發(fā)明將變得更加易懂。其中圖1是通常的磁RAM的示例圖；圖2是傳統(tǒng)的多位磁RAM的示例圖；圖3A是按照本發(fā)明實施例的磁RAM的示例圖；圖3B是圖3A的磁RAM的第二電流供給線的透視圖；圖4A是圖3A中所示的磁RAM的等效電路圖；圖4B是用于解釋圖3A的磁RAM中的寫入數(shù)據(jù)狀態(tài)的表；圖5是用于解釋圖3A的磁RAM中的寫入數(shù)據(jù)的表；圖6A是其中第一至第三可變電阻元件的縱向與圖3A所示的磁RAM中的不同的磁RAM的示例圖；圖6B是用于解釋圖6A所示的磁RAM中的寫入數(shù)據(jù)的表；圖7是按照本發(fā)明實施例的磁RAM的示例圖；圖8A是圖7中所示的磁RAM的等效電路圖；圖8B是用于解釋圖7的磁RAM中的寫入數(shù)據(jù)狀態(tài)的表；圖9是用于解釋圖7的磁RAM中的寫入數(shù)據(jù)的表；圖10A是其中第一和第二可變電阻元件的固定鐵磁層的磁化方向與圖7所示的不同的磁RAM的示例圖；以及圖10B是用于解釋圖10A的磁RAM中的寫入數(shù)據(jù)的表。
具體實施例方式
此后，本發(fā)明的實施例將參考附圖標號進行詳細描述。在附圖中，相同的附圖標記表示相同的部件。
圖3A是按照本發(fā)明實施例的磁RAM 300的示例圖。
圖3B是圖3A的磁RAM 300的第二電流供給線CSL2的透視圖。
參考圖3A，為了在數(shù)據(jù)寫入操作期間生成磁場，第一至第三電流供給線CSL1、CSL2和CSL3被分別布置在第一可變電阻元件MTJ1和第二可變電阻元件MTJ2之間、第二可變電阻元件MTJ2和第三可變電阻元件MTJ3之間以及第三可變電阻元件MTJ3和訪問晶體管TR之間。第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3被布置在訪問晶體管TR和位線BL之間。第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3通過傳導(dǎo)層EC2在電氣彼此相連。位線BL通過傳導(dǎo)層EC1與第一可變電阻元件MTJ1連接。
傳導(dǎo)層EC2通過傳導(dǎo)層EC3連接到訪問晶體管TR。該第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3由磁阻材料構(gòu)成。磁阻材料可以是MTJ(磁隧道結(jié))材料、GMR(巨磁阻)材料、自旋閥、鐵磁/金屬/半導(dǎo)體混合結(jié)構(gòu)、III-V磁性半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)、金屬/半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)或CMR之一。
第二電流供給線CSL2與位線BL平行排列。相互平行的第一電流供給線CSL1和第三電流供給線CSL3與位線BL正交。
在圖3A所示的磁RAM 300中，為了讀出數(shù)據(jù)，供給到位線BL的電壓被測量，或流過第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的電流被測量。由于數(shù)據(jù)是使用第一至第三電流供給線CSL1、CSL2和CSL3分別寫入第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的，因此可以很容易地寫入多位數(shù)據(jù)。即，在數(shù)據(jù)寫操作期間，不需要控制磁場的電流調(diào)整，并且不需要用于寫入數(shù)據(jù)“01”和“10”的多個寫操作。
第二可變電阻元件MTJ2由通過第二電流供給線CSL2的第二傳導(dǎo)層EC2連接到第三可變電阻元件MTJ3。圖3B顯示了第二電流供給線CSL2的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)雙向電流脈動通過第一至第三電流供給線CSL1、CSL2和CSL3之一時，第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3中的兩個具有磁化方向相反的固定鐵磁層。
例如，當(dāng)?shù)谝恢恋诙勺冸娮柙﨧TJ1和MTJ2共享第一電流供給線CSL1時，如果流過第一電流供給線CSL1的電流是雙向電流，那么第一至第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2的固定鐵磁層的磁化方向彼此相反。
在這種情況下，相同的數(shù)據(jù)被寫入第一至第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2，其中該數(shù)據(jù)可以具有四個狀態(tài)“00”、“01”、“10”和“11”。圖4A是圖3A中的磁RAM 300的等效電路圖。
圖4B是用于解釋圖3A的磁RAM中的寫入數(shù)據(jù)狀態(tài)的表。
第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3具有相同的電阻特性。第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3中的每一個都具有最小電阻值R和最大電阻值R+ΔR。假定，如果“0”被寫入第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3，則第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3中的每一個都具有電阻R，如果“1”被寫入第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3，則第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3中的每一個都具有電阻R+ΔR。
參見圖4B，如果寫入第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3中的數(shù)據(jù)全是“0”，即如果第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的總電阻值為“3R”，那么可以確定磁RAM 300中存儲的數(shù)據(jù)是“00”。
如果寫入第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的數(shù)據(jù)中的一個是“1”，并且其余數(shù)據(jù)是“0”，即如果第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的總電阻為“3R+ΔR”，那么可以確定磁RAM300中存儲的數(shù)據(jù)是“01”。
如果寫入第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的數(shù)據(jù)中的兩個是“1”，并且其余數(shù)據(jù)是“0”，即如果第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的總電阻為“3R+Δ2R”，那么可以確定磁RAM300中存儲的數(shù)據(jù)是“10”。
如果寫入第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的數(shù)據(jù)全是“1”，即如果第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的總電阻值為“3R+Δ3R”，那么可以確定磁RAM300中存儲的數(shù)據(jù)是“11”。即，使用具有相同電阻特性的第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3，磁RAM300可以存儲2位數(shù)據(jù)。按照雙向電流流過的電流供給線的類型，磁RAM 300可以具有兩種結(jié)構(gòu)。
圖5是用于解釋圖3A的磁RAM 300中的寫入數(shù)據(jù)的表。在磁RAM 300中，第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的縱向軸與位線BL和第二電流供給線CSL2平行排列。在這種情況下，響應(yīng)于流過第一和第三電流供給線CSL1和CSL3的雙向電流，數(shù)據(jù)被寫入第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3。
流過位線BL和第二電流供給線CSL2的電流是單向電流，而流過第一和第三電流供給線CSL1和CSL3的電流是雙向電流。
由流過第一電流供給線CSL1的電流的方向創(chuàng)建的磁場既影響第一可變電阻元件MTJ1又影響第二可變電阻元件MTJ2。
在這種情況下，通過在相反方向極化第一可變電阻元件MTJ1和第二可變電阻元件MTJ2的固定鐵磁層，相同的數(shù)據(jù)可以由流過第一電流供給線CSL1的電流寫入第一可變電阻元件MTJ1和第二可變電阻元件MTJ2。
在圖3A的磁RAM 300中，相同數(shù)據(jù)被寫入到第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3中的兩個，它們共享傳送雙向電流的第一或第三電流供給線CSL1和CSL3中的一個。
響應(yīng)于在預(yù)定方向流過位線BL的電流和在兩個方向中的一個方向上流過第一電流供給線CSL1的電流，第一可變電阻元件MTJ1存儲數(shù)據(jù)。
響應(yīng)于在預(yù)定方向流過第二電流供給線CSL2的電流和在兩個方向中的一個方向上流過第一電流供給線CSL1的電流，第二可變電阻元件MTJ2存儲數(shù)據(jù)。
響應(yīng)于在預(yù)定方向流過第二電流供給線CSL2的電流和在兩個方向中的一個方向上流過第三電流供給線CSL3的電流，第三可變電阻元件MTJ3存儲數(shù)據(jù)。參見圖5，該第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2接收和存儲來自第一電流供給線CSL1的相同數(shù)據(jù)，而第三可變電阻元件MTJ3接收和存儲來自第三電流供給線CSL3的數(shù)據(jù)。
例如，參見圖3A，如果電流在向后方向上流過第三電流供給線CSL3，由于由第三電流供給線CSL3創(chuàng)建的磁場的方向與第三可變電阻元件MTJ3的固定鐵磁層的磁化方向相同，所以第三可變電阻元件MTJ3的電阻值被降低，因此在第三可變電阻元件MTJ3中寫入“0”。
如果電流在向前方向上流過第三電流供給線CSL3，由于由第三電流供給線CSL3創(chuàng)建的磁場的方向與第三可變電阻元件MTJ3的固定鐵磁層的磁化方向相反，所以第三可變電阻元件MTJ3的電阻值被增大，因此在第三可變電阻元件MTJ3中寫入數(shù)據(jù)“1”。以這種方式，第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3可以存儲四種狀態(tài)的數(shù)據(jù)，即2位數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)被讀取時，將預(yù)定電流施加到第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3，因此根據(jù)第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的總電阻在位線BL的兩端產(chǎn)生電壓。然后，通過測量產(chǎn)生的電壓，寫入第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3中的2位數(shù)據(jù)可以被讀出。
圖6A是其中第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的縱向與圖3A所示的磁RAM 300中的不同的磁RAM 600的示例圖。
圖6B是用于解釋圖6A所示的磁RAM 600中的寫入數(shù)據(jù)的表。
參見圖6A，在磁RAM 600中，第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的縱向與位線BL和第二電流供給線CSL2垂直排列。在磁RAM 600中，數(shù)據(jù)由流過垂直于第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3的縱向的電流寫入。即，參見圖6A，響應(yīng)于流過位線BL和第二電流供給線CSL2的雙向電流，數(shù)據(jù)被寫入第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3。
流過第一和第三電流供給線CSL1和CSL3的電流按預(yù)定方向流動，而流過位線BL和第二電流供給線CSL2的電流可以按兩個方向中的一個方向流動。第二和第三可變電阻元件MTJ2和MTJ3共享第二電流供給線CSL2。相應(yīng)地，通過在相反方向極化第二和第三可變電阻元件MTJ2和MTJ3的固定鐵磁層，在第二和第三可變電阻元件MTJ2和MTJ3中寫入相同的數(shù)據(jù)。
如圖6B所示，根據(jù)流過位線BL和第二電流供給線CSL2的電流的方向，數(shù)據(jù)被寫入第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3。例如，如果電流以左方向流過位線BL，由于所產(chǎn)生的磁場的方向與第一可變電阻元件MTJ1的固定鐵磁層的磁化方向相反，所以第一可變電阻元件MTJ1的電阻增大，因此在第一可變電阻元件MTJ1中寫入“1”。
如果電流以右方向流過位線BL，由于所產(chǎn)生的磁場的方向與第一可變電阻元件MTJ1的固定鐵磁層的磁化方向相同，所以第一可變電阻元件MTJ1的電阻降低，因此在第一可變電阻元件MTJ1中寫入“0”。以這種方式，第一至第三可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3可以存儲四種狀態(tài)的數(shù)據(jù)，即2位數(shù)據(jù)。
在圖3A和6A中所示的磁RAM 300和RAM 600中的每一個，都具有三個可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3與第一至第三電流供給線CSL1、CSL2和CSL3交替堆疊的結(jié)構(gòu)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于三個可變電阻元件MTJ1、MTJ2和MTJ3。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的磁RAM，包括形成在襯底上的訪問晶體管、堆疊在位線和訪問晶體管之間并在電氣上相互連接的第一至第(2n-1)可變電阻元件和與第一至第(2n-1)可變電阻元件交替堆疊在一起的第一至第(2n-1)電流供給線。
在具有與圖3A所示的磁RAM 300相似結(jié)構(gòu)并執(zhí)行多位(例如n位)操作的磁RAM中，提供2n-1個可變電阻元件。
與圖3A和6A中的磁RAM 300和RAM 600所示的多位結(jié)構(gòu)相比較，根據(jù)本發(fā)明實施例的磁RAM可以包括額外的可變電阻元件和電流供給線。對其的詳細描述被省略了。圖7是按照本發(fā)明實施例的磁RAM 700的示例圖。
參見圖7，磁RAM 700包括形成在襯底SUBST上的訪問晶體管TR、第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2以及第一和第二電流供給線CSL1和CSL2。第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2被布置在位線BL和訪問晶體管TR之間。第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2彼此電連接。第一電流供給線CSL1被布置在第一可變電阻元件MTJ1和第二可變電阻元件MTJ2之間。第二電流供給線CSL2被布置在第二可變電阻元件MTJ2和訪問晶體管TR之間。
磁RAM 700具有與圖3A和6A中的磁RAM 300和RAM 600在基本類似的結(jié)構(gòu)，并包括兩個可變電阻元件MTJ1和MTJ2以及兩個電流供給線CSL1和CSL2。相應(yīng)地，磁RAM 700以與磁RAM 300和RAM 600相同的方式操作。
在磁RAM 700中，預(yù)定傳導(dǎo)層通過第一和第二電流供給線CSL1和CSL2。該第二可變電阻元件MTJ2經(jīng)過通過第二電流供給線CSL2的傳導(dǎo)層連接到訪問晶體管TR的漏極。位線BL和第二電流供給線CSL2與第一電流供給線CSL1正交。
而且，第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2的縱向軸與位線BL和第二電流供給線CSL2垂直排列，這樣，響應(yīng)于流過位線BL和第二電流供給線CSL2的雙向電流，數(shù)據(jù)可以被寫入第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2。
為了使用兩個可變電阻元件MTJ1和MTJ2在圖7的磁RAM 700中存儲2位數(shù)據(jù)，第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2需要具有不同的電阻特性。不同的電阻特性對應(yīng)于這兩個可變電阻元件MTJ1和MTJ2的隧道壁壘層不同的厚度。
例如，如果可變電阻元件MTJ1和MTJ2之一的電阻被加倍，則具有加倍電阻的可變電阻元件可以充當(dāng)如圖3A和6A中的磁RAM 300和RAM 600中所示的同時寫入相同數(shù)據(jù)的兩個可變電阻元件。
在圖7的磁RAM 700中，電流可以流過位線BL和第二電流供給線CSL2的任一方向。另外，電流可以在預(yù)定方向流過第一電流供給線CSL1。
相應(yīng)地，由于數(shù)據(jù)可以單獨地寫入第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2中的一個，所以可變電阻元件MTJ1和MTJ2不需要不同的磁滯特性，以在數(shù)據(jù)寫入期間調(diào)整用于控制磁場的電流，并在寫入“10”和“10”時執(zhí)行多個寫操作，因此簡化了寫操作。
圖8A是圖7中所示的磁RAM 700的等效電路圖。
圖8B是用于解釋圖7的磁RAM 700中的寫入數(shù)據(jù)狀態(tài)的表。
參見圖8A和圖8B，在磁RAM 700中，可變電阻元件MTJ1和MTJ2具有不同的電阻。如果第一可變電阻元件MTJ1的電阻具有最小值R1和最大值R1+ΔR1，而第二可變電阻元件MTJ2的電阻值具有最小值R2和最大值R2+ΔR2，那么根據(jù)寫入第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2的數(shù)據(jù)磁RAM 700具有四個可能的電阻。
磁RAM 700當(dāng)兩個可變電阻元件MTJ1和MTJ2都存儲“0”時具有電阻R1+R2，當(dāng)只有第一可變電阻元件MTJ1存儲“1”時具有電阻R1+R2+ΔR1，當(dāng)只有第二可變電阻元件MTJ2都存儲“1”時具有電阻R1+R2+ΔR2，當(dāng)兩個可變電阻元件MTJ1和MTJ2都存儲“1”時具有電阻R1+R2+ΔR1+ΔR2。
當(dāng)寫入磁RAM 700的數(shù)據(jù)被讀出時，施加恒定電流以產(chǎn)生相應(yīng)于該電阻的電壓并通過位線BL檢測該產(chǎn)生的電壓。
圖9是用于解釋圖7的磁RAM 700中的寫入數(shù)據(jù)的表。
參見圖7和圖9，如果電流以右方向流過位線BL和第二電流供給線CSL2，由于產(chǎn)生的磁場的方向與第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2的固定鐵磁層的磁化方向相同，所以第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2的總電阻降低，因此在第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2中寫入數(shù)據(jù)“0”。
如果電流以左方向流過位線BL和第二電流供給線CSL2，由于產(chǎn)生的磁場的方向與第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2的固定鐵磁層的磁化方向相反，所以第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2的總電阻增大，因此在第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2中寫入數(shù)據(jù)“1”。
以這種方式，使用兩個可變電阻元件MTJ1和MTJ2磁RAM 700可以存儲2位數(shù)據(jù)。
圖10A是其中第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2的固定鐵磁層的磁化方向與圖7所示的不同的磁RAM 1000的示例圖。
圖10B是用于解釋圖10A的磁RAM 1000中的寫入數(shù)據(jù)的表。
在圖7的磁RAM 700中，第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2的固定鐵磁層的磁化方向彼此相反。然而，在圖10A的磁RAM 1000中，第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2的固定鐵磁層的磁化方向是相同的。
相應(yīng)地，通過流過位線BL和第二電流供給線CSL2的電流，圖10B所示的數(shù)據(jù)被寫入第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2。
如果電流以右方向流過位線BL和第二電流供給線CSL2，由于產(chǎn)生的磁場方向與第一可變電阻元件MTJ1的固定鐵磁層的磁化方向相同，所以第一可變電阻元件MTJ1的電阻降低。同樣，由于產(chǎn)生的磁場的方向與第二可變電阻元件MTJ2的固定鐵磁層的磁化方向相反，所以第二可變電阻元件MTJ2的電阻增大。因此，“0”被寫入第一可變電阻元件MTJ1，而“1”被寫入第二可變電阻元件MTJ2。
如果電流以左方向流過位線BL和第二電流供給線CSL2，由于產(chǎn)生的磁場方向與第一可變電阻元件MTJ1的固定鐵磁層的磁化方向相反，所以第一可變電阻元件MTJ1的電阻增大。同樣，由于產(chǎn)生的磁場的方向與第二可變電阻元件MTJ2的固定鐵磁層的磁化方向相同，所以第二可變電阻元件MTJ2的電阻降低。因此，“1”被寫入第一可變電阻元件MTJ1，而“0”被寫入第二可變電阻元件MTJ2。
如果流過位線BL的電流方向和流過第二電流供給線CSL2的電流方向彼此相反，那么相同的數(shù)據(jù)可以被寫入第一和第二可變電阻元件MTJ1和MTJ2。
為了圖7中顯示的磁RAM 700執(zhí)行多位(例如n位)操作，提供2n-1個可變電阻元件。
根據(jù)本發(fā)明實施例的磁RAM包括形成在襯底上的訪問晶體管、位線、交替堆疊在該訪問晶體管上的數(shù)字線、布置在位線和數(shù)字線之間的多個可變電阻元件，其中該多個可變電阻元件在電氣上彼此相連。
位線分別包括圖3A和7的磁RAM 300和RAM 700中的位線BL和第二電流供給線CSL2，數(shù)字線分別包括圖3A和7的磁RAM 300和RAM 700中的第一和第三電流供給線CSL1和CSL3。
相應(yīng)地，按照本發(fā)明的實施例的磁RAM可以具有與圖3A和7的磁RAM300和RAM 700相似的結(jié)構(gòu)，因此，它的詳細描述被省略。
雖然本發(fā)明參考其示例性實施例被特別地顯示和描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以進行各種形式和細節(jié)上的改變和描述而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
本申請要求在韓國知識產(chǎn)權(quán)局申請的申請日為2004年10月28日、申請?zhí)枮?0-2004-0086556的韓國專利的優(yōu)先權(quán)，將該申請的公開內(nèi)容全部引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種磁隨機存取存儲器包括形成在襯底上的訪問晶體管；第一至第三可變電阻元件，連續(xù)地堆疊在位線和所述訪問晶體管之間，其中所述第一至第三可變電阻元件在電氣上彼此相連；以及第一至第三電流供給線，以與所述位線相鄰的第一可變電阻元件開始，分別與所述第一至第三可變電阻元件交替布置。
2.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第一至第三可變電阻元件具有相同的電阻特性。
3.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第一至第三可變電阻元件中的每一個都包括固定鐵磁層，其中所述第一至第三可變電阻元件中的兩個可變電阻元件共享第一至第三電流供給線中的流過雙向電流的一條電流供給線，其中所述第一至第三可變電阻元件中的所述兩個可變電阻元件的固定鐵磁層的磁化方向彼此相反。
4.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器，其中相同的數(shù)據(jù)被寫入所述第一至第三可變電阻元件中的共享第一至第三電流供給線中的流過雙向電流的一條電流供給線的兩個可變電阻元件。
5.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器，其中預(yù)定傳導(dǎo)層通過所述第一至第三電流供給線。
6.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器，其中所述位線和所述第二電流供給線與所述第一和第三電流供給線相正交。
7.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第一至第三可變電阻元件的縱向軸與所述位線和所述第二電流供給線平行排列，并且響應(yīng)于流過所述第一至第三電流供給線的雙向電流，數(shù)據(jù)被寫入所述第一至第三可變電阻元件。
8.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第一至第三可變電阻元件的縱向軸與所述位線和所述第二電流供給線垂直，并且響應(yīng)于流過所述位線和所述第二電流供給線的雙向電流，數(shù)據(jù)被寫入所述第一至第三可變電阻元件。
9.如權(quán)利要求1所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第一至第三可變電阻元件由磁阻材料構(gòu)成。
10.一種磁隨機存取存儲器包括形成在襯底上的訪問晶體管；形成在所述訪問晶體管上的第一和第二可變電阻元件，所述第一和第二可變電阻元件在電氣上彼此相連；形成在所述第一可變電阻元件上的位線；以及多條電流供給線，以與所述位線相鄰的第一可變電阻元件開始，分別與所述第一和第二可變電阻元件交替布置。
11.如權(quán)利要求10所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第一和第二可變電阻元件具有不同的電阻特性。
12.如權(quán)利要求10所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第二可變電阻元件的電阻值是所述第一可變電阻元件的電阻的兩倍。
13.如權(quán)利要求10所述的磁隨機存取存儲器，其中預(yù)定傳導(dǎo)層通過所述第一和第二電流供給線。
14.如權(quán)利要求10所述的磁隨機存取存儲器，其中所述位線和所述第二電流供給線與所述第一電流供給線是正交的。
15.如權(quán)利要求10所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第一和第二可變電阻元件的縱向軸與所述位線和所述第二電流供給線垂直排列，并且響應(yīng)于流過所述位線和所述第二電流供給線的雙向電流，數(shù)據(jù)被寫入所述第一和第二可變電阻元件。
16.如權(quán)利要求10所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第一和第二可變電阻元件由磁阻材料構(gòu)成。
17.一種能同時寫入或讀出n位數(shù)據(jù)的磁隨機存取存儲器包括形成在襯底上的訪問晶體管；形成在所述訪問晶體管上的第一至第(2n-1)可變電阻元件，所述第一至第(2n-1)可變電阻元件在電氣上彼此相連；形成在所述第一可變電阻元件上的位線；和第一至第(2n-1)電流供給線，與該第一至第(2n-1)可變電阻元件交替堆疊。
18.如權(quán)利要求17所述的磁隨機存取存儲器，其中該第一至第(2n-1)可變電阻元件具有相同的電阻特性。
19.如權(quán)利要求17所述的磁隨機存取存儲器，其中共享第一至第(2n-1)電流供給線中的流過雙向電流的一條電流供給線的所述第一至第(2n-1)可變電阻元件中的兩個可變電阻元件的固定鐵磁層的磁化方向彼此相反。
20.如權(quán)利要求17所述的磁隨機存取存儲器，其中所述位線與相鄰的電流供給線是正交的，其中每一條連續(xù)的電流供給線的方向與前一條電流供給線是正交的。
21.如權(quán)利要求17所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第一至第(2n-1)可變電阻元件的縱向軸與所述位線平行排列，并且響應(yīng)于流過奇數(shù)電流供給線的雙向電流，數(shù)據(jù)被寫入第一至第(2n-1)可變電阻元件。
22.如權(quán)利要求17所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第一至第(2n-1)可變電阻元件的縱向軸與所述位線垂直排列，并且響應(yīng)于流過所述位線和偶數(shù)電流供給線的雙向電流，數(shù)據(jù)被寫入第一至第(2n-1)可變電阻元件。
23.如權(quán)利要求17所述的磁隨機存取存儲器，其中所述第一至第(2n-1)可變電阻元件由磁阻材料構(gòu)成。
24.一種能同時寫入或讀出多位數(shù)據(jù)的磁隨機存取存儲器包括形成在襯底上的訪問晶體管；位線和交替堆疊在所述訪問晶體管上的數(shù)字線；和多個布置在所述位線和所述數(shù)字線之間且在電氣上彼此相連的可變電阻元件。
25.如權(quán)利要求24所述的磁隨機存取存儲器，其中所述可變電阻元件具有相同的電阻特性。
26.如權(quán)利要求24所述的磁隨機存取存儲器，其中所述位線與所述數(shù)字線是正交的，并且所述可變電阻元件的縱向軸與所述位線平行，和響應(yīng)于流過所述數(shù)字線的雙向電流，數(shù)據(jù)被寫入所述可變電阻元件。
27.如權(quán)利要求24所述的磁隨機存取存儲器，其中所述位線與所述數(shù)字線是正交的，所述可變電阻元件的縱向軸與所述位線垂直，和響應(yīng)于流過所述數(shù)字線的雙向電流，數(shù)據(jù)被寫入所述可變電阻元件。
28.如權(quán)利要求24所述的磁隨機存取存儲器，其中所述可變電阻元件中的每一個都包括固定鐵磁層，以及共享流過雙向電流的所述位線或所述數(shù)字線中的一條的所述可變電阻元件中的兩個可變電阻元件的固定鐵磁層的磁化方向彼此相反。
29.如權(quán)利要求24所述的磁隨機存取存儲器，其中相同數(shù)據(jù)被寫入共享流過雙向電流的所述位線或所述數(shù)字線中的一條的所述可變電阻元件中的兩個可變電阻元件。
30.如權(quán)利要求24所述的磁隨機存取存儲器，其中所述可變電阻元件由通過除了最上面的位線之外的所有位線的傳導(dǎo)層在電氣上彼此相連。
31.如權(quán)利要求24所述的磁隨機存取存儲器，其中所述可變電阻元件由磁阻材料構(gòu)成。
32.如權(quán)利要求24所述的磁隨機存取存儲器，其中所述可變電阻元件具有不同的電阻特性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有多位單元陣列結(jié)構(gòu)的磁隨機存取存儲器(RAM)，其包括形成在襯底上的訪問晶體管、第一至第三可變電阻元件和第一至第三電流供給線。該第一至第三可變電阻元件布置在位線和訪問晶體管之間并且在電氣上彼此相連。該第一至第三電流供給線與該第一至第三可變電阻元件交替堆疊。該第一至第三可變電阻元件具有相同的電阻。
文檔編號G11C11/56GK1822226SQ20051000345
公開日2006年8月23日 申請日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者金惠珍, 趙佑榮, 吳泂錄 申請人:三星電子株式會社