操作MRAM半导体存储器排列的方法

1.一种操作具多个TMR存储单元的MRAM半导体存储器排列的方法，所述TMR存储单元分别包含一个层堆栈，该层堆栈具有一个软磁层(13)、一个硬磁层(11)、以及位于该硬磁层及该软磁层之间的一个穿隧电阻层，在存储单元阵列中，所述TMR存储单元在它们的端点的其中一个连接至位线(BL)及在它们的另一端则连接至字线(WL)，
其特征在于
信息被储存于该TMR存储单元的软磁层，其中该软磁层(13)的磁化方向与该硬磁层(11)的磁化方向平行或反平行；
在读取期间，在该读取线路(BL)的电流信号被初始地检测而无外部施加的磁场；
之后，利用通过该未电连接的写入线路(WL1、WL2)的电流脉冲，该软磁层(13)的磁化相对于其简易磁轴被可逆地旋转；
被改变做为在该读取线路(BL)的结果的该电流信号与该初始检测的电流信号比较；及
由此比较决定所储存信息，其中在电流脉冲通过该写入线路的结束后，该软磁层(13)的该可逆地旋转回复到对应于该储存信息的原先方向。
2.根据权利要求1的方法，
其特征在于
相对于该简易磁轴的该软磁层的磁化的旋转，其由电流脉冲作动，量约略45至60°。
3.一种操作具多个TMR存储单元的MRAM半导体存储器排列的方法，所述TMR存储单元分别包含一个层堆栈，该层堆栈具有一个软磁层(13)、一个硬磁层(11)、以及位于该硬磁层及该软磁层之间的一个穿隧电阻层，在存储单元阵列中，所述TMR存储单元在它们的端点的其中一个连接至位线(BL)及在它们的另一端则连接至字线(WL)，
其特征在于
该信息被储存于该TMR存储单元的硬磁层(11)，
利用通过该未电连接的写入线路(WL)的电流脉冲，该软磁层(13)被带入平行于该简易磁轴的经定义方向，
被改变做为在该读取线路(BL)的结果的该电流信号接着被测量，
该被改变的电流信号的该经测量的值与该软磁层(13)的正相反方向的情况的电流信号比较，及
由此比较来决定该TMR存储单元的所储存信息。

技术领域
本发明涉及操作具多个TMR存储单元的MRAM半导体存储器排列的方法，在存储单元阵列中，其在它们的端点的其中一个连接至位线及在它们的另一端连接至字线。
背景技术
如已知，MRAM半导体存储器排列为基于TMR效应的协助下的铁磁储存：位于字线及位线交叉点的是具包括软磁层、穿隧电阻层及硬磁层的层堆栈的TMR存储单元。一般，硬磁层的磁化方向被预先决定，然而软磁层的磁化方向由经由字线及位线于特定方向传送电流而被调整。具有这些电流，软磁层可关于硬磁层于平行或反平行方式被磁化。在平行磁化的情况下，层堆栈的电阻较在反平行磁化的情况为低，其可被评估为逻辑状态”0”或”1”，或反之。做为替代方案，信息亦可被储存于硬磁层，软磁层用于读取，然而，在此情况下的缺点为增加的写入电流为必需的以切换硬磁层的磁化。
目前为止，基本上彼此不同的两个架构被提出做为MRAM半导体存储器排列：
在一般称的”交叉点”结构，个别TMR存储单元被直接排列于相互交叉的中间(其形成位及字线)连接间。在此交叉结构的情况下，没有任何半导体组件，及特别是没有任何晶体管是个别存储单元所必要的，故许多TMR存储单元的层可一个接着一个地被容易地堆栈，因而可达到MRAM的非常高的集成密度。然而，在此种”交叉点”结构的情况下，寄生电流无可避免地经由未被选择的存储单元而流动。所以，在大的存储单元阵列中，个别TMR存储单元必须以非常高的电阻完成以使该寄生电流可被保持为低的。读取操作因个别TMR存储单元的高电阻而为相当缓慢的。
在其它架构的情况下，切换或选择晶体管可额外被指定至每一个具上述层堆栈的个别TMR存储单元(在此方面参考M.Durlam；”基于磁隧道接点组件的非易失性RAM”)。
相关第1图图标地及透视地显示自四个TMR存储单元TMR1、TMR2、TMR5、TMR6的区段，其被个别地被指定此种选择晶体管TR11、TR12、TR21、TR22。如所提及，每一个TMR存储单元包括一种硬磁层11、穿隧电阻层12及软磁层13的层堆栈，位线BL1及BL2形成软磁层13上的中间连接及直到连接至后者。信息或数字线路DL1以与位线BL1、BL2交叉的方向被排列于硬磁层11的下方且连接于该层。选择晶体管TR11、TR12、TR21及TR22，其栅连接于字线WL1及WL2，被耦合至每一个TMR存储单元。
一种具TMR存储单元(其被连接至此种切换晶体管)的MRAM半导体存储器排列特征为寄生电流实际上被排除。结果，即使在大的存储单元阵列，存储单元可以较低电阻的TMR组件被提供。而且，读取方法被简化，由此得到较在”交叉点”结构情况下为快的存取。然而，具晶体管/TMR存储单元的结构具尺寸较交叉点结构更为相当大的缺点。此外，不可能执行TMR单元平面的直接堆栈因晶体管及因而硅表面对存储单元阵列的每一个存储单元为必需的。
在早期专利申请案，本发明提出一种MRAM存储器排列，其中”交叉点”结构的优点大大地与晶体管/TMR存储单元的优点合并。
相关第2图图标地显示一种MRAM半导体存储器排列，其合并交叉点结构及晶体管/TMR存储单元结构。在此情况下，包括许多TMR存储单元的每一个组被形成。组中的TMR存储单元TMR1、TMR2、TMR3及TMR4由它们的端点的其中一个皆共同地连接至位线BL及由它们的另一端点的共同地连接至选择晶体管TR1，字线WL1连接至该晶体管的栅极。在进一步TMR存储单元组中，同样地许多TMR存储单元，例如四个TMR存储单元TMR5、TMR6、TMR7及TMR8，由它们的端点的其中一个皆共同地连接至位线BL及由它们的另一端点的共同地连接至第二选择晶体管TR2，第二字线WL2连接至该晶体管的栅极终端。在第2图所示的MRAM半导体存储器排列的情况下，晶体管TR1、TR2的空间要求由此仅一个切换或选择晶体管TR1、TR2至许多TMR存储单元，例如四个TMR存储单元，的指定而被显著减少且结果为此种MRAM半导体存储器排列允许在存储单元阵列的增加的紧密度。
一般，在MRAM半导体存储器排列的问题为TMR存储单元的电阻的分布的再现性会被不正确地进行或为不平衡的，因TMR存储单元的电阻非常敏感地(指数地)依载体厚度，亦即穿隧层厚度，而定。此使得非常困难完成一种快速的参考以进行读取信号的评估。基本上直到此时两种可能性已被讨论以解决此问题：
-一种外部参考(参考单元或参考电流/电压源)被提供，为进行此，TMR摆动必须显著大于电阻波动。此方法对每晶体管具许多平行的TMR存储单元的存储器排列(如上所述)为不可能的。
-破坏读取：TMR存储单元在于特定方向读取后会进行再写入及由此比较；接着写回必须被作动。在此情况下，存储单元本身用做参考，故在存储单元的电阻波动为不重要的。然而，此方法为耗时的及若读取方法未100％可靠会导致信息变更。因写入必须被更经常性地被作动，可靠性问题会发生。
Wang等：”超高密度自旋穿隧随机存取存储器的可行性”IEEE Transactions on Magnetics，33卷、6期、十一月1997，4498-4512页，揭示一种操作具多个TMR存储单元的MRAM半导体存储器排列的方法，在存储单元阵列中，其在它们的端点的其中一个连接至位线及在它们的另一端连接至字线。软磁层的磁化位于平行于该简易磁轴的第一方向，及之后，通过经由未电连接的写入线路的电流脉冲，软磁层的磁化方向被带入与第一方向正相反方向的第二方向。由经由存储单元的电流信号的变化，在磁化方向变化期间经储存信息被决定。在读取储存于TMR存储单元的信息的过程，该信息被破坏且因此必须在读取后写回。
Wang等：”四巨磁电阻随机存取存储器”应用物理期刊，79卷、8期、2B部份，四月十五日，1996，6639-6641页，叙述一种读取技术，其不破坏储存于单元的信息。在此情况下，由读取信号所产生的磁场意欲低于软磁层的矫顽性，其结果为软磁层的磁化因其磁性的不均向性反向至原先方向。
发明内容
所以，本发明目的为起始一种操作具多个TMR存储单元的MRAM半导体存储器排列的方法，在存储单元阵列中，其在它们的端点的其中一个连接至位线及在它们的另一端连接至字线，以此种方式存储单元本身用做参考及在存储单元中的信息不会被破坏，亦即写回不必要被作动。
根据一个基本方面，本发明提供一种操作具多个TMR存储单元的MRAM半导体存储器排列的方法，所述TMR存储单元分别包含一个层堆栈，该层堆栈具有一个软磁层、一个硬磁层、以及位于该硬磁层及该软磁层之间的一个穿隧电阻层，在存储单元阵列中，所述TMR存储单元在它们的端点的其中一个连接至位线及在它们的另一端则连接至字线，其中信息被储存于该TMR存储单元的软磁层，其中该软磁层的磁化方向与该硬磁层的磁化方向平行或反平行；在读取期间，在该读取线路的电流信号被初始地检测而无外部施加的磁场；之后，利用通过该未电连接的写入线路的电流脉冲，该软磁层的磁化相对于其简易磁轴被可逆地旋转；被改变做为在该读取线路的结果的该电流信号与该初始检测的电流信号比较；及由此比较决定所储存信息，其中在电流脉冲通过该写入线路的结束后，该软磁层(13)的该可逆地旋转回复到对应于该储存信息的原先方向。
根据第二个基本方面，本发明提供一种操作具多个TMR存储单元的MRAM半导体存储器排列的方法，所述TMR存储单元分别包含一个层堆栈，该层堆栈具有一个软磁层、一个硬磁层、以及位于该硬磁层及该软磁层之间的一个穿隧电阻层，在存储单元阵列中，所述TMR存储单元在它们的端点的其中一个连接至位线及在它们的另一端则连接至字线，其中该信息被储存于该TMR存储单元的硬磁层，利用通过该未电连接的写入线路的电流脉冲，该软磁层被带入平行于该简易磁轴的经定义方向，被改变做为在该读取线路的结果的该电流信号接着被测量，该被改变的电流信号的该经测量的值与该软磁层的正相反方向的情况的电流信号比较，及由此比较来决定该TMR存储单元的所储存信息。
结果，存储单元本身用做参考即使在存储单元中的信息未被破坏，亦即写回不必要被作动。
根据本发明方法较佳为被施用于具写入线路的TMR存储单元形式(例如TMR存储单元加晶体管)。然而至纯交叉点结构的应用，亦即不具晶体管的TMR存储单元，亦为可行的。
根据本发明方法可被特别有利地施用于上述的MRAM半导体存储器排列，其中许多TMR存储单元平行地连接至选择晶体管。
附图说明
本发明的两个示例具体实施例以参考图式中的图更详细说明于下文。详细而言，在图式中：
第1图示意地及透视地显示具指定至TMR单元的选择晶体管的MRAM半导体存储器排列的已叙述结构，及
第2图显示具平行地连接至选择晶体管的许多TMR单元的已叙述MRAM半导体存储器排列的示意相当电路图。
具体实施方式
在根据本发明的第一示例具体实施例中，信息被储存于软磁层13(第1图)。在读取期间，对应于储存于TMR存储单元的信息的电流信号被初始地记录而无外部施加的磁场。之后，软磁层13由因在未连接的写入线路，如WL2，的电流脉冲所产生的场而经由相对于简易磁轴(easy magnetization axis)(简易磁轴(easy axis))约略45-60°旋转，且被改变做为结果的电流信号与先前记录的电流信号比较。若软磁层13的磁化关于硬磁层11的磁化为平行的(例如对应于逻辑”0”)，则电阻增加；若软磁层13的磁化关于硬磁层11的磁化为反平行的(对应于逻辑”1”)，则电阻减少。之后，因为磁性不均向性，磁化在对应于储存信息的原先方向反行。根据本发明的示例具体实施例因此使得储存于该单元的信息可被读取而且此信息不会被破坏，单元本身用做参考。与破坏读取相较，此方法的缺点为读取信号至多为三分之一大。
在根据本发明的第二示例具体实施例中，信息被储存于硬磁层11，软磁层13被用做读取。通过经由未电连接的写入线路(如WL2)的电流脉冲，软磁层被带入平行于简易磁轴的经定义方向及测量值与软磁层的正相反方向的情况的测量值比较。在此情况下，在逻辑”0”及”1”间的信号差对应于至多两倍TMR摆动，亦即其为第一示例具体实施例的六倍高。储存于硬磁层11的信息未被改变做为此结果，此方法的缺点为需要更高的写入电流以切换硬磁层的磁化。
参考符号清单
TMR1、、...、TMR8                 TMR存储单元
BL、BL1、BL2                      位线
WL1、WL2                          字线
DL1、DL2                          信息数字线路
TR1、TR2、TR11、TR12、TR21、TR22  切换晶体管
11                                硬磁层
12                                穿隧电阻层
13                                软磁层