[发明专利]一种MRAM芯片的阵列结构

说明书

本发明公开了一种MRAM芯片的阵列结构，包括有源区、字线、源极线、MTJ和位线。有源区和字线跨越的栅极区域组成NMOS管；字线跨越有源区，并将有源区分割成源极区和漏极区；MTJ的底部与漏极区相连，顶部与位线相连，位线与字线垂直；共用同一条字线的同一行中多个MRAM的记忆单元中相邻的两个单元的源极区扩展依次连接形成源极线；每两个由字线连接的行，相邻的NMOS管共用一个所述源极区，两行共用一条所述源极线。本发明利用有源区制成源极线，使得MRAM存储单元变小，有效地提高了MRAM存储芯片的密度。

技术领域

本发明属于半导体芯片存储器领域，尤其涉及一种MRAM芯片的阵列结构。

背景技术

磁性随机存储器(MRAM)是一种新兴的非挥发性存储技术。它拥有高速的读写速度和高集成度，且可以被无限次的重复写入。MRAM可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。

MRAM具有很好的经济性和性能，它的单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也有优势，比嵌入式NOR Flash的优势更大。MRAM读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最好；而且MRAM与标准CMOS半导体工艺兼容，DRAM以及Flash与标准CMOS半导体工艺不兼容；MRAM还可以和逻辑电路集成到一个芯片中。

MRAM基于MTJ(磁性隧道结)结构。由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的，如图1所示：下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层，它的磁化方向可以和固定磁化层相平行或反平行。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层，但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。前一种情况电阻低，后一种情况电阻高。

读取MRAM的过程就是对MTJ的电阻进行测量。写MRAM使用比较新的STT-MRAM技术使用比读更强的电流穿过MTJ进行写操作。一个自下而上的电流把可变磁化层置成与固定层平行的方向，自上而下的电路把它置成反平行的方向。

如图2所示，每个MRAM的存储单元由一个MTJ和一个NMOS管组成。每一个存储单元需要连接三根线：

●MOS管的gate连接到芯片的Word Line(字线)负责接通或切断这个单元，

●MOS管的一极连在Source Line(源极线)上

MOS管的另一极和MTJ的一极相连，MTJ的另一极连在Bit Line(位线)上。

如图3所示，一个MRAM芯片由一个或多个MRAM存储单元的阵列组成，每个阵列有若干外部电路，如：

●行地址解码器：把收到的地址变成Word Line的选择

●列地址解码器：把收到的地址变成Bit Line的选择

●读写控制器：控制Bit Line上的读(测量)写(加电流)操作

●输入输出控制：和外部交换数据

MRAM芯片的核心部分是存储单元阵列。阵列有着不同的布局方式。

(1)Bit Line和Source Line平行布局

如图4所示，该布局中一个阵列中的字线和位线互相垂直。相对简单的设计是位线和源极线平行。写操作比较容易，字线拉高打开一行存储单元，然后根据每一个单元写入0或1的需求，分别在位线或源极线上加高电位。

这种方法虽然简单，但布板通常占用比较大的面积，芯片成本高。

(2)Bit Line和Source Line垂直布局