專利名稱：具有改進的讀寫容限的電流驅(qū)動切換磁性存儲單元及采用該單元的磁性存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性存儲系統(tǒng)，尤其涉及一種提供具有改進的讀寫容限的存儲 器、磁性存儲單元和/或讀與/或?qū)憴C制的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
圖1示出了現(xiàn)有的磁性隨機存取存儲器(MRAM) l的一小部分?，F(xiàn)有的 MRAM 1包括磁性存儲單元10，磁性存儲單元10包括通常是現(xiàn)有的磁性隧道 結(jié)(MTJ) 12的現(xiàn)有磁性元件12和現(xiàn)有的選擇裝置14。圖中還示出了寫字線 16、讀字線18和位線20。通過對現(xiàn)有的磁性元件12進行編程使之成高阻態(tài)或 低阻態(tài)，將數(shù)據(jù)存儲到現(xiàn)有磁性元件12中。通常通過利用位線20和寫字線16 兩者中流動的電脈沖產(chǎn)生的磁場來進行編程。 一般來說，由僅在位線20中或 僅在寫字線16中流動的電流生成的磁場不足以對現(xiàn)有磁性元件12進行編程。 通過采用讀字線18啟動選擇裝置14并驅(qū)動讀電流通過現(xiàn)有磁性元件，對現(xiàn)有 磁性元件12進行讀操作。
圖2示出了現(xiàn)有的MRAM陣列30較大的一部分，其采用諸如圖1中所示 的現(xiàn)有存儲單元10的多個現(xiàn)有存儲單元。參照圖2，現(xiàn)有磁性存儲單元10以 行和列設置?，F(xiàn)有磁性存儲單元IO仍包括讀字線18、寫字線16和位線20。 圖2還示出了位線選擇器32、字線選擇器34、第一數(shù)位線選擇器36、第二數(shù) 位線選擇器38、位線及接地線選擇器40、帶有電流源的差分電流傳感器42、 比較器44、包括對應于存儲單元10的存儲單元10'與對應于位線20的位線 22的基準列46、以及開關(guān)48、 50、 52、 54、 56、和58。讀字線18與字線選 擇器34相連接并由字線選擇器34致能。各寫字線16，也可被稱為數(shù)位線，分 別與第一數(shù)位線選擇器36和第二數(shù)位線選擇器38相連接。讀字線18與寫字 線16水平運行，而也用作數(shù)據(jù)線的位線20則垂直運行。位線20與第一位線 選擇器32和第二位線選擇器40相連接。位于線16、 18、 20、 22端部的開關(guān) 48、 50、 52、 54、 56與58通常是晶體管，并且將線16、 18、 20、 22連接到諸 如電壓源之類的電源，或接地。
寫操作過程中，位線20被啟動，并且其所載電流生成一部分切換磁性元 件12所需的磁場(稱為切換場)。此外，相應的寫字線16被啟動，其所載電 流生成剩余部分的切換磁場。在大多數(shù)現(xiàn)有的MRAM30中，僅由位線20生成的磁場或由僅寫字線16生成的磁場都不足以對任何現(xiàn)有的磁性元件12進行編
程，或切換其狀態(tài)。然而，將位線20和寫字線16結(jié)合可在它們的交叉點處生 成切換場。因而，可對被選擇的現(xiàn)有磁性元件12進行寫操作。
讀操作過程中，讀字線18和含有要讀取的磁性元件的相應位線20被啟動。 僅在位于啟動的位線20和啟動的寫字線18之間的交點處的現(xiàn)有磁性存儲單元 IO上有電流被驅(qū)動通過，并且因此進行讀操作。采用差分電流傳感器42和比 較器44，將被讀取的現(xiàn)有的磁性存儲單元的阻態(tài)與基準單元10'相比較，比 較器44比較這兩個電流信號，并生成存儲狀態(tài)"1"或"0"的輸出V。ut。
盡管現(xiàn)有的MRAM30可以操作，但本領(lǐng)域技術(shù)人員會意識到現(xiàn)有技術(shù)存 在一些弊端。編程采用驅(qū)動通過相應的線16和線20的電流而生成的磁場。磁 場不是局部現(xiàn)象。此外，采用對應于較大磁場的較大電流，對現(xiàn)有磁性存儲單 元10進行編程。因而，鄰近單元可被干擾或隨意被寫。結(jié)果，現(xiàn)有MRAMIO 的性能受到影響?？刹捎梅Q為觸發(fā)寫的高級架構(gòu)來解決此問題。然而，觸發(fā)寫 需要高得多的磁場，其使用明顯更高的電流。此外，對于利用疊加場進行寫的 現(xiàn)有磁性元件12，生成切換場所需的電流隨著現(xiàn)有磁性元件12的寬度減小而 增大。因而，耗電量顯著增大，尤其對較高密度存儲器中的較小磁性元件12 來說。這個增大的耗電量是不想要的。此外，觸發(fā)寫在實際寫之前需要進行一 個讀驗證。因此，總存取時間較大。這個較大的存取時間也使觸發(fā)寫對于高速 應用來說缺乏吸引力。此外，包括觸發(fā)寫MRAM的現(xiàn)有MRAM的電流生成存 儲單元的大小接近40f2，其中f為光刻臨界尺寸。這個尺寸范圍與半導體存儲 器SRAM的密度相比極具競爭力。然而，MRAM的成本更大，因為制造過程 中MRAM所采用的掩膜比SRAM多五至七倍。因而，需要另一種用于提供 MR AM的機制。
圖3示出了現(xiàn)有的以自旋轉(zhuǎn)移為基礎進行切換的隨機存取存儲器(自旋 RAM) 70的一小部分。自旋RAM70包括現(xiàn)有的磁性存儲單元80，其包括現(xiàn) 有的磁性元件82和選擇裝置84、字線86、位線88和源線90。字線86的方向 垂直于位線88。源線卯通常平行或垂直于位線88，取決于自旋RAM70所用 的特定構(gòu)架。
現(xiàn)有的磁性元件82設置成可通過驅(qū)動自旋極化電流通過現(xiàn)有的磁性元件 82，在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間變化。自旋極化電流采用自旋轉(zhuǎn)移效應來改變現(xiàn)有 磁性元件82的狀態(tài)。例如，現(xiàn)有磁性元件82可以是設置成采用自旋轉(zhuǎn)移被寫 的MTJ。通常通過確保MTJ82具有足夠小的橫截面面積和MTJ層具有特定厚 度來實現(xiàn)。當電流密度足夠時，被驅(qū)動通過現(xiàn)有磁性元件82的載流子可傳遞 足夠力矩，以改變現(xiàn)有磁性元件82的狀態(tài)。當寫電流在一個方向被驅(qū)動時， 狀態(tài)可從低阻態(tài)變化到高阻態(tài)。當寫電流在相反方向被驅(qū)動時，狀態(tài)可從高阻態(tài)變化到低阻態(tài)。
為了對現(xiàn)有存儲單元80進行編程，位線88和字線86被啟動。電流在源 線90和位線88之間被驅(qū)動。若電流在一個方向被驅(qū)動，例如從源線90到位 線88，則現(xiàn)有磁性元件82被編程為兩個狀態(tài)中的一個。若電流在相反方向被 驅(qū)動，例如從位線88到源線90，則現(xiàn)有磁性元件82被編程為兩個狀態(tài)中的另一個。
對于讀操作，位線88和字線86被啟動。因而，選擇裝置84被開啟。讀 電流被驅(qū)動通過現(xiàn)有磁性元件82。讀電流可由與圖2所示的差分電流傳感器 42相類似的差分電流傳感器提供。參照圖3，從而將讀電流提供給位線88，該 位線88已經(jīng)被鉗制在其偏置電壓。結(jié)果，讀出過程中可獲得高磁阻信號。在 一些現(xiàn)有自旋RAM中，可采用基準單元(圖3中未示出)。在這類現(xiàn)有自旋 RAM中， 一部分讀電流被提供給正在被讀的現(xiàn)有磁性存儲單元80，另一部分 電流被提供給基準單元。因而，讀操作過程中的讀出電流是持續(xù)供應的電流和 實際流經(jīng)MTJ元件的電流之間的差值。比較器與圖2所示的比較器44類似， 比較差分電流傳感器的輸出以決定現(xiàn)有磁性存儲單元80的狀態(tài)。因而，現(xiàn)有 磁性存儲單元80可被編程和讀取。
因而，現(xiàn)有的自旋RAM70利用被驅(qū)動通過磁性元件82的寫電流，以對現(xiàn) 有磁性存儲單元80進行數(shù)據(jù)編程。因而，現(xiàn)有的自旋RAM70采用較局部的現(xiàn) 象來對現(xiàn)有磁性元件82進行編程。因而，不像現(xiàn)有的MRAM1/30，現(xiàn)有的自 旋RAM70不會經(jīng)受半選取寫干擾問題。
此外，對于較小的磁性元件82，以及較高的存儲密度，現(xiàn)有的自旋RAM70 采用較低電流。圖4是曲線圖92，示出了現(xiàn)有的磁場切換MRAM30的寫電流 和現(xiàn)有的自旋RAM70的寫電流之間的比較。要注意用于觸發(fā)寫MRAM的寫電 流比圖4中的電流高。正如從圖4可以看到的，對于寬度大于二百納米的現(xiàn)有 磁性元件12/82，現(xiàn)有的自旋RAM70所需的電流比現(xiàn)有的MRAM30高。對于 寬度小于二百納米的現(xiàn)有磁性元件12/82，現(xiàn)有的自旋RAM70的寫電流比現(xiàn)有 的MRAM30低。此外，現(xiàn)有的自旋RAM70，寫電流隨著寬度的減小而減小。 因而自旋RAM70具有所需的比例趨勢。
雖然現(xiàn)有的自旋RAM70利用較低電流和更為局部化的編程機制，但是現(xiàn) 有的自旋RAM70可能會有讀干擾的問題。圖5是圖表94，示出了現(xiàn)有的自旋 RAM70寫及讀電流分布。分布95是具有最小電流I1的寫電流分布。分布96 是具有最大電流I2的讀電流分布，其用于現(xiàn)有磁性元件82的低阻態(tài)。分布97 是具有最大電流I3的讀電流分布，其用于現(xiàn)有磁性元件82的高阻態(tài)。分布96 中的最大讀電流與分布95中的最小寫電流之間的差值代表讀與寫的容限。換 句話說，在許多讀周期后，即使I2低于I1，諸如電流I2之類的讀電流也可隨意對現(xiàn)有磁性元件82進行寫操作。因而，正如可從分布95和分布96看到的， 對于適宜于低阻態(tài)的讀電流而言，讀與寫的容限可極小。
對于高速存儲器操作，分布96和97中低阻態(tài)和高阻態(tài)的讀電流必須相差 很大。也就是說，分布96的電流需要比分布97的電流大得多。例如，可將分 布96的中心置于一百二十微安，同時可將分布97的中心置于約六十微安。此 外，為了減小選擇裝置84的尺寸并因而減小現(xiàn)有磁性存儲單元80的尺寸，需 要寫電流盡可能小。例如，可將分布95的中心置于二百微安左右。因而，對 于小單元尺寸的高密度存儲器，尤其是高速和大的讀信號的寫和讀電流之間的
差值，或讀與寫的容限減小。因為讀與寫的容限可能很小，采用的讀電流會使 磁性元件82的狀態(tài)不穩(wěn)定。因此，分布96或97中采用的讀電流可隨意對現(xiàn) 有自旋RAM70進行寫操作。
此外，諸如會包括現(xiàn)有自旋RAM70的現(xiàn)有自旋RAM存儲器模塊，包括 數(shù)百萬乃至數(shù)十億個磁性元件82。工藝偏差會使現(xiàn)有自旋RAM70中的磁性元 件82的寫和讀電流具有一個分布范圍。因而，分布95、 96和97如圖所示具 有一個寬度。也就是說，磁性元件可具有界于Il和I2之間的寫電流。類似地， 磁性元件所需的寫電流可能界于II和12之間、界于12和13之間或低于13。這 些被稱為尾分布位或異常值。除了工藝偏差引起的分布之外，熱效應也可使讀 與/或?qū)戨娏鳟a(chǎn)生偏差。磁性切換過程基本是熱輔助過程，不論磁性元件82是 否通過磁場切換或通過流經(jīng)自旋力矩轉(zhuǎn)移效應的自旋極化電流切換。由于單個 裝置芯片中采用大量的磁性存儲器元件82，以及在裝置產(chǎn)品的整個生命周期中 的操作循環(huán)數(shù)量很大，在特定周期間，熱輔助可使磁性元件的切換寫電流比其 常規(guī)值小得多。所需的讀電流比這一偶發(fā)的低寫電流還要小。因而寫與讀范圍 甚至可能更小。因而讀操作期間受損的數(shù)據(jù)甚至可能進一步增大。
因此，需要一種用于提供和使用存儲器單元的方法和系統(tǒng)，其采用以改進 的讀寫容限進行自旋轉(zhuǎn)移切換，或或減少讀電流引發(fā)的意外寫錯誤。本發(fā)明針
對這樣一種需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于提供磁性存儲器的方法和系統(tǒng)。磁性存儲器包括多 個磁性存儲單元與至少一條位線和對應于多個磁性存儲單元的多條源線。各磁
性存儲單元包括磁性元件，其被編程為由被驅(qū)動在第一方向通過磁性元件的 第一寫電流形成高阻態(tài)，由被驅(qū)動在第二方向通過磁性元件的第二寫電流形成 低阻態(tài)。位線和源線設置成驅(qū)動第一寫電流在第一方向通過磁性元件，驅(qū)動第 二寫電流在第二方向通過磁性元件，并驅(qū)動至少一個讀電流在不會破壞低阻態(tài) 穩(wěn)定的第三方向通過磁性元件。根據(jù)在此揭示的方法和系統(tǒng)，本發(fā)明提供了一種機制，其用于對具有更高 讀寫容限的磁性存儲器進行編程和讀操作。


圖1是現(xiàn)有磁性隨機存取存儲器一部分的簡圖； 圖2是現(xiàn)有磁性隨機存取存儲器的一部分的簡圖； 圖3是切換時采用自旋轉(zhuǎn)移的磁性存儲單元的簡圖4是示出了現(xiàn)有磁場切換MRAM的寫電流和現(xiàn)有自旋RAM的寫電流之 間關(guān)系；
圖5示出了現(xiàn)有自旋RAM的寫電流分布與讀電流分布； 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的磁性存儲器采用單一間隔層磁性元件的一個實施 例的一部分；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的磁性存儲器采用具有如本發(fā)明所述的勢壘層和間 隔層的磁性元件的另一個實施例的一部分；
圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明中的一種方法的一個實施例的流程圖，其采用磁 性存儲器以提供改進的讀寫容限；
圖9是根據(jù)本發(fā)明包括備用行的MRAM的一個實施例的一部分的簡圖10是根據(jù)本發(fā)明包括備用列的MRAM的另一個實施例的一部分的簡
圖11是根據(jù)本發(fā)明的磁性存儲器陣列和電路采用自旋轉(zhuǎn)移切換、具有平 均中點基準讀信號和增大的讀寫容限的一個實施例的一部分的簡圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及磁性存儲器。以下說明能讓任一本領(lǐng)域技術(shù)人員使用和利用本 發(fā)明，并是在專利申請和其要件的文本中提供。在此描述的較佳實施例和一般 原則及特征的各種改變對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。因而，本發(fā)明并不意 欲限于圖示的實施例，而應依據(jù)與在此描述的原則和特征相一致的最寬范圍。
本發(fā)明提供了一種用于提供磁性存儲器的方法和系統(tǒng)。磁性存儲器包括多 個磁性存儲單元和至少一條位線以及與多個磁性存儲單元相對應的多條源線。 各磁性存儲單元包括磁性元件，磁性元件被編程為由第一寫電流被驅(qū)動在第 一方向通過磁性元件形成高阻態(tài)，由第二寫電流被驅(qū)動在第二方向通過磁性元 件形成低阻態(tài)。位線和源線設置成驅(qū)動第一寫電流在第一方向通過磁性元件， 驅(qū)動第二寫電流在第二方向通過磁性元件，驅(qū)動至少一個寫電流在不會破壞低 阻態(tài)穩(wěn)定的第三方向通過磁性元件。
本發(fā)明以具有某些組件的特定磁性存儲器為背景描述，這樣的磁性存儲單元具有磁性元件，磁性元件包括特定組件和特定隔離裝置。任一本領(lǐng)域技術(shù)人 員易于理解本發(fā)明與使用具有其它與/或附加組件的磁性存儲器的情況一致。此 外，本發(fā)明是在以與存儲器的某一部分相對應的組件為背景描述的。根據(jù)本發(fā) 明的方法和系統(tǒng)也以從單個磁性存儲單元讀出或?qū)懭雴蝹€磁性存儲單元為背 景描述。然而，任一本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解方法和系統(tǒng)可被擴展成基本并行 地從多個磁性存儲單元讀出或?qū)懭攵鄠€磁性存儲單元。最終，本發(fā)明以某些存 儲器為背景描述。然而，任一本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解本發(fā)明與和本發(fā)明不一 致的存儲器和其它裝置可兼容。
為了更具體地描述根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，參照圖6，示出了根據(jù)本發(fā) 明采用單間隔層磁性元件的磁性存儲器100的一個實施例的一部分。磁性存儲
器100是自旋RAM。磁性存儲器100包括磁性存儲單元110和金屬連通插頭 (metal via plug) 102 (其可被認為是磁性存儲單元110的一部分)、源線104、 位線106和字線108。磁性存儲單元110包括設置成采用自旋轉(zhuǎn)移被寫的磁性 元件112，優(yōu)選地，并包括選擇裝置119。優(yōu)選地，選擇裝置119是晶體管。 圖示的磁性元件112至少包括被釘扎層115、間隔層116和自由層117。被釘 扎層115和自由層117是磁性的。雖然圖示的是單一層，但是被釘扎層115和 自由層117的其中一個或兩者可為多層，諸如合成的反鐵磁層(SAF)，其包 括由諸如Ru的非磁性導電間隔層隔開的兩個鐵磁層。間隔層116位于被釘扎 層115和自由層117之間。間隔層116可為導電的或絕緣的。在較佳實施例中， 間隔層116是隧穿勢壘層。在較佳實施例中，磁性元件112也包括釘扎層114， 優(yōu)選地，其是反鐵磁層(AFM)。然而，在另一實施例中，可采用其它機制來 釘扎被釘扎層115的磁化。磁性元件112也可分別包括種子層113和覆蓋層118。 然而，在另一實施例中，磁性元件112可包括符合本發(fā)明的不同與/或附加的組 件。
利用通過傳送電流通過磁性元件112產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移效應對磁性元件112 進行編程。尤其是可通過在位線106和源線104之間驅(qū)動的電流對磁性元件112 進行編程。磁性元件112設置成通過寫電流從自由層117流經(jīng)間隔層116到 達被釘扎層115，將磁性元件112編程為低阻態(tài)。磁性元件112也設置成通 過寫電流從被釘扎層115流經(jīng)間隔層116到達自由層117，使得磁性元件112 處于高阻態(tài)。也就是說，通過驅(qū)動電流從源線104流到位線106，磁性元件112 被編程為高阻態(tài)。類似地，通過驅(qū)動讀電流從位線106流到源線104，磁性元 件112被編程為低阻態(tài)。
磁性存儲器100，尤其是位線106、源線104和磁性存儲單元110被設置 成采用的讀電流在不會破壞低阻態(tài)穩(wěn)定(優(yōu)選地，加強低阻態(tài))的方向被驅(qū) 動。在圖示的實施例100中，讀電流會被驅(qū)動從位線106流到源線104。在較佳實施例中，通過將位線鉗位于恒定電壓VBL，同時將源線設置在較低電壓 VSL，諸如接地電壓來讀取磁性元件112。 VBL和VSL之間的電壓差分布在磁 性元件112和選擇裝置119之間。金屬連通插頭102上的電壓由V^g表示。較 佳地，選取VBL使得磁性元件上的偏置電壓(Vread)，即VBL-Vphg，在使磁 性元件112具有最高信號輸出的范圍內(nèi)。在一個實施例中，這個范圍在一百毫 伏至五百毫伏之間。
參照圖5和圖6，當V^d施加到磁性存儲器100實施例時，若磁性元件112 處于低阻態(tài)，則流經(jīng)磁性元件的電流處于在分布96中；若磁性元件112處于 高阻態(tài)，則流經(jīng)磁性元件的電流處于在分布97中。在較佳實施例中，由于高 阻態(tài)的最大電阻明顯大于低阻態(tài)的最小電阻，12值明顯比I3值高。由于至少讀 電流12被驅(qū)動從位線106流到源線104，讀電流12并不會破壞磁性元件112 低阻態(tài)的穩(wěn)定。優(yōu)選地，由讀電流I2生成的自旋力矩強化了最小阻態(tài)。也就是 說，讀電流I2不會傾向于隨意寫磁性元件112。僅有低得多的、優(yōu)選以電流I2 的相同方向被驅(qū)動的讀電流I3生成傾向于破壞最大阻態(tài)穩(wěn)定的自旋力矩。。也 就是說，讀電流I3會產(chǎn)生隨意寫磁性元件112的自旋力矩。因而，分布95的 寫電流和讀電流分布97的讀電流之間的差值就成為讀寫容限。這個較大差值 是讀寫容限，而非寫電流95和分布96的較高讀電流之間的差值是讀寫容限。 因而，對于磁性存儲器100，寫和讀電流之間的容限增大。
因而，磁性存儲器100具有較大的讀寫容限。所以，磁性存儲器100在讀 操作期間不太可能被隨意寫。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的采用根據(jù)本發(fā)明的具有勢壘和間隔的磁性元件的磁性 存儲器120的另一實施例的一部分的簡圖。磁性存儲器120是自旋RAM。磁 性存儲器120包括磁性存儲單元130和金屬連通插頭122 (可認為是磁性存儲 單元130的一部分)、源線124、位線126和字線128。磁性存儲單元130包 括磁性元件132，其設置成采用自旋轉(zhuǎn)移，較佳地，并采用選擇裝置142被寫。 較佳地，選擇裝置142是晶體管。圖示的磁性元件132至少包括第一被釘扎層 135、第一間隔層136 (優(yōu)選地為隧穿勢壘層136)、自由層137、第二間隔層 138和第二被釘扎層139。被釘扎層135和被釘扎層139及自由層137是磁性 的。雖然圖示的是單一層，但是被釘扎層135和被釘扎層139及自由層137中 之一或兩者可以是多層，諸如合成的反鐵磁層(SAF)，其包括由諸如Ru的 非磁性導電間隔層隔開的兩個鐵磁層。第二間隔層138可以是導電性的或是另 一絕緣隧穿勢壘層。第二間隔層138可具有比第一間隔層136低的電阻。因而， 在一個實施例中，第二間隔層138是隧穿電阻比隧穿勢壘層136的隧穿電阻小 的隧穿勢壘層。因而，隧穿勢壘層136是主隧穿勢壘。被釘扎層135和139設 置成使得其在較接近自由層137的區(qū)域內(nèi)的磁化是反平行的。磁性元件132也可包括釘扎層134和140，優(yōu)選地，釘扎層134和140為AFM層。然而，在另 一實施例中，可采用其它機制來釘扎被釘扎層135和139的磁化。磁性元件132 也可分別包括種子層133和覆蓋層141。
利用通過使電流流經(jīng)磁性元件132產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移效應，對磁性元件132 進行編程。為了將磁性元件132編程為低阻態(tài)，優(yōu)選地，寫電流從自由層137 流經(jīng)主勢壘層136，到達被釘扎層135。為了將磁性元件編程為高阻態(tài)，寫電 流從被釘扎層135流經(jīng)主勢壘層136，到達自由層137。因而，在寫操作中， 字線128啟動選擇裝置142并且寫電流在預設方向被驅(qū)動。
磁性存儲器120，尤其是位線126、源線124和磁性存儲單元130被設置 成采用的讀電流在不會破壞低阻態(tài)穩(wěn)定(優(yōu)選地，是強化低阻態(tài))的方向被 驅(qū)動。在圖示的實施例120中，讀電流會被驅(qū)動從位線126流到源線124。在 操作中，將位線126鉗制在恒定電壓下，同時源線124被設置在諸如接地電壓 的較低電壓。VBL和VSL之間的電壓差分布在磁性元件132和晶體管142之
間。優(yōu)選地，選取適當?shù)腣BL，使得磁性元件(VBL-Vp,ug)上的偏置電壓(Vread)，
在使磁性元件120具有最大信號輸出的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，這個范圍在一百毫伏 至五百毫伏之間。
參照圖5和圖7，在較佳實施例中，由于高阻態(tài)的最大電阻明顯大于低阻 態(tài)的最小電阻，12值明顯比13值高。由于至少讀電流12被驅(qū)動從位線126流 到源線124，讀電流I2并不會破壞磁性元件132的低阻態(tài)的穩(wěn)定。優(yōu)選地，由 讀電流12生成的自旋力矩強化了最小阻態(tài)。也就是說，讀電流I2不會傾向于 隨意寫磁性元件132。僅有低得多的、與電流I2相同的方向被驅(qū)動的讀電流I3 生成傾向于破壞最大阻態(tài)穩(wěn)定的自旋力矩。。也就是說，讀電流I3會產(chǎn)生隨意 寫磁性元件132的自旋力矩。因而，分布95的寫電流和讀電流分布97的讀電 流之間的差值就成為讀寫容限。這個較大差值是讀寫容限，而非寫電流95和 分布96的較高讀電流之間的差值是讀寫容限。因而，對于磁性存儲器120，寫 和讀電流之間的范圍增大。結(jié)果，磁性存儲器120不太可能在讀過程中隨意被 寫。
圖8是流程圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的方法150的一個實施例，其利用磁性 存儲器以提供改進的讀寫容限。較佳地，該方法150與磁性存儲器100、 120 與/或160和200 (以下圖示的)配合使用。所以，是以磁性存儲器IOO為背景 描述方法150。選擇的存儲單元110經(jīng)由步驟152被編程成高阻態(tài)或低阻態(tài)。 編程包括通過驅(qū)動寫電流在第一方向流經(jīng)磁性元件112來編程高阻態(tài)，通過驅(qū) 動第二寫電流在第二方向流經(jīng)磁性元件112來編程低阻態(tài)。第二方向通常與第 一方向反向。
經(jīng)由步驟154，磁性存儲器IOO被選擇性地讀。步驟154中的讀磁性存儲器包括驅(qū)動讀電流在不會破壞低阻態(tài)穩(wěn)定的方向流經(jīng)磁性元件112。優(yōu)選地， 此方向與第二方向相同。
因而，采用方法150可對磁性存儲器120或100進行編程和讀操作。此夕卜， 磁性存儲器IOO具有較大的讀寫容限。所以，在讀過程中磁性存儲器IOO不太 可能被隨意寫。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的包括備用行的MRAM160的一個實施例的一部分的簡 圖。圖9中采用的磁性元件可為磁性元件112和132或可采用自旋轉(zhuǎn)移進行編 程其它磁性元件(未示出)并可采用方法150進行操作。優(yōu)選地，圖9所示的 這部分MRAM160是一個輸入/輸出(或I/O)區(qū)塊。存儲器通常包括較多I/O 區(qū)塊，優(yōu)選地，包括至少八個區(qū)塊。MRAM160包括位線選擇器162和164、 源線選擇器180和168、字線選擇器170、比較器172、帶有電流源的差分電流 傳感器174、具有與單元IIO和130類似的單元110' /130'的基準列176、優(yōu) 選地為晶體管的開關(guān)182、 184、 186和188。，對磁性存儲單元110/130與 110' /130'進行如上所述對磁性存儲器100和120所進行一樣的編程和寫操 作。
除了在如上所述的數(shù)據(jù)存儲中實際使用和計劃使用的存儲行之外，還可提 供其它的行。例如，在一個實施例中，MRAM160計劃包括512行，或1024 行，或另一較大的數(shù)量。MRAM160在此存儲區(qū)塊中也包括備用行，諸如行190。 備用行包括相同的組件，諸如包括磁性元件112/132的磁性存儲單元110/130。 此外，磁性存儲器160被設置成以類似于磁性存儲器100和120的方式被寫和 被讀。
采用備用行190是考慮到磁性存儲器160的其余行中的單元故障。在晶片 級存儲裸芯測試中，可對磁性存儲器160進行測試。例如，可采用各種寫脈沖 量級與讀操作相結(jié)合以確定在預定的最小寫電流水平之下被寫的磁性存儲單 元110/130，以及即使以預定的最大寫電流水平都不會被寫的單元110/130。這 些存儲單元被認為是寫無效。通過啟動字線和源線選擇器中的閂開關(guān)，可用正 常的備用行190替代包含這些無效位的行。這樣，可提高晶片良率。
圖10是根據(jù)本發(fā)明包括備用列的MRAM200的另一個實施例的一部分的 簡圖。圖10中采用的磁性元件可為磁性元件112、 132或可采用自旋轉(zhuǎn)移進行 編程的其它磁性元件(未示出)，并可采用方法150進行操作。優(yōu)選地，圖IO 所示的這部分MRAM200是一個輸入/輸出(或1/0)區(qū)塊。存儲器通常包括較 多I/0區(qū)塊，優(yōu)選地，至少包括八個區(qū)塊。MRAM200包括位線選擇器202和 204、源線選擇器206和208、字線選擇器210、比較器212、帶有電流源的差 分電流傳感器214、包括基準單元110' /130'的基準列216和優(yōu)選地為晶體管 的開關(guān)222、 224、 226和228。按如上所述對磁性存儲器100和120所進行的一樣方式對磁性存儲單元110/130和110' /130'進行編程和寫操作。
磁性存儲器200被劃分成行和列。通常I/0區(qū)塊包括8、 16、 64或別的一 般較大數(shù)量的列。采用備用列220是考慮到磁性存儲器200的其余列的單元故 障。在晶片級存儲裸芯測試期間，可對磁性存儲器200進行測試。例如，可采 用各種寫脈沖量級與讀操作相結(jié)合以確定在預定的最小寫電流水平之下被寫 的磁性存儲單元110/130，并且即使以預定的最大寫電流水平都不會被寫的單 元110/130。這些存儲單元被認為是寫無效。通過啟動位線選擇器中的閂開關(guān)， 可用正常的備用列220替代包含這些失效位的列。這樣，可提高晶片良率。
備用列220也可用于校錯。除了如上述采用存儲器200補償己知的壞位之 外，額外的列220可被用于在錯誤碼校正機制中存儲檢測位。錯誤碼可被用來 解決磁性存儲器200中的隨機錯誤。隨機錯誤可由于許多原因發(fā)生，諸如上述 的熱輔助切換。對于具有讀電流和寫電流的設計得高到在存儲器裝置的實際使 用過程中可能發(fā)生讀電流干擾事件，可確定所需的備用列220數(shù)量。對于八位 存儲器，由于"0"和"1"之間狀態(tài)的組合有2的3次方個，每八列所需的額 外列的數(shù)目是三。對于十六位存儲器，由于"0"和"1"之間狀態(tài)的組合有2 的4次方個，每16列需要的額外列的數(shù)量是4。對于六十四位存儲器，由于"0" 和"1"之間狀態(tài)的組合有2的6次方個，每64列需要的額外列的數(shù)量是6。 增加校錯功能會增大芯片規(guī)模并降低存儲器速度，但對生產(chǎn)魯棒性好且可靠的 自旋RAM芯片是必要的。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的磁性存儲器250和電路的一個實施例的一部分的簡 圖，該實施例采用具有平均中點基準讀信號和增大的讀寫容限的自旋轉(zhuǎn)移切 換。磁性存儲器250包括兩個I0區(qū)塊260和270，這兩個區(qū)塊彼此鄰近互為鏡 像并共享同一個源線選擇器280。此外，也示出了字線選擇器282和284、基 準列262和272。區(qū)塊260和270可分別類似于圖9的區(qū)塊160和圖10的區(qū)塊 200。因而磁性存儲單元110與/或130和方法150可被用于磁性存儲器250。 雖然圖示的是兩個字線選擇器282和284，對于10區(qū)塊260和270兩者也可僅 采用一個字線選擇器(未示出)。優(yōu)選地，用于基準列262和272的磁性元件 110' /130'與上述的磁性元件IIO和130相同。此外，采用方法150對磁性存 儲器250進行操作。
如上所述，采用被驅(qū)動通過基準單元110' /130'的電流，對基準單元 110' /130'進行編程和讀操作。在一個實施例中，基準列262或272之一的磁 性元件110' /130'可都置于最小阻態(tài)，而相應的另一個基準列272或262中 的磁性元件110' /130'可都置于最大阻態(tài)。由于采用兩個基準列262和272， 差分電流傳感器286和288從基準列262和272傳感基準磁性元件的平均電流， 基準列262和272由字線和源線啟動。由于基準磁性元件110' /130'共享磁性元件100、 120、 160和200的相同的增大的電流容限，并且采用上述的基準 機帝ij，所以磁性單元110' /130'提供讀所需的平均電流值?；鶞柿?92和272 一起向它們的左右兩邊提供基準信號給兩個磁性元件110/130。
因而，可采用避免在編程過程中隨意寫的更局部化現(xiàn)象，對磁性存儲器 100、 120、 160、 200和250以及方法150進行寫操作。此外，磁性存儲器100、 120、 160、 200和250以及方法150可具有提高的、更大的讀寫容限。因而， 也可減少讀過程中的隨意寫。因而，磁性存儲器100、 120、 160、 200和250 的性能可得到提高。
揭示了一種方法和系統(tǒng)，其提供和使用一種具有改進的讀寫容限的磁性存 儲器。根據(jù)示出的實施例對本發(fā)明進行描述，任一本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解可 對實施例做各種改變，并且對實施例所做的任何改變都在本發(fā)明的精神和范圍 內(nèi)。因此，任一本領(lǐng)域技術(shù)人員可做多種修改而不脫離附屬權(quán)利要求的精神和 范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁性存儲器，包括多個磁性存儲單元，所述多個磁性存儲單元各包括磁性元件，所述磁性元件被編程為由被驅(qū)動在第一方向通過所述磁性元件的第一寫電流形成高阻態(tài)，由被驅(qū)動在第二方向通過所述磁性元件的第二寫電流形成低阻態(tài)；與所述多個磁性存儲單元相對應的至少一條位線；以及與所述多個磁性存儲單元相對應的多條源線；其中所述至少一條位線和所述多條源線設置成驅(qū)動所述第一寫電流在所述第一方向通過所述磁性元件，驅(qū)動所述第二寫電流在所述第二方向通過所述磁性元件，并驅(qū)動至少一個讀電流在不會破壞低阻態(tài)穩(wěn)定的第三方向通過所述磁性元件。
2. 如權(quán)利要求1所述的磁性存儲器，其中所述方向與所述第一方向反向， 并且所述第二方向與所述第三方向同向。
3. 如權(quán)利要求1所述的磁性存儲器，還包括多條字線，所述多條字線各與所述多個磁性存儲單元中的一個磁性存儲單 元相對應，并且其用于允許電流流動通過所述磁性存儲單元。
4. 如權(quán)利要求3所述的磁性存儲器，其中所述多個磁性存儲單元還各包括至少一個選擇裝置，所述多條字線的一部分選擇性地啟動所述至少一個選 擇裝置以允許電流流動通過所述磁性元件。
5. 如權(quán)利要求4所述的磁性存儲器，其中所述至少一個選擇裝置是具有源極、漏極、柵極的選擇晶體管，并且其中所述多條字線的所述這部分是與所述選擇晶體管的所述柵極耦合的字線，所述磁性元件與所述漏極耦合，所述多條 源線的其中一條與所述源極耦合。
6. 如權(quán)利要求1所述的磁性存儲器，其中所述多條源線各與所述多個磁性 存儲單元中的一對相對應。
7. 如權(quán)利要求l所述的磁性存儲器，其中所述磁性元件包括具有被釘扎在 被釘扎方向的第一磁化的被釘扎層、間隔層、具有第二磁化的自由層，所述間 隔層位于所述被釘扎層和所述自由層之間，所述自由層設置成使得所述磁性元 件被編程為由被驅(qū)動在所述第一方向通過所述磁性元件的所述第一寫電流形 成高阻態(tài)，由被驅(qū)動在與所述第一方向反向的第二方向通過所述磁性元件的所 述第二寫電流形成低阻態(tài)。
8. 如權(quán)利要求7所述的磁性元件，其中所述間隔層是勢壘層。
9. 如權(quán)利要求7所述的磁性元件，其中所述間隔層是導電性的。
10. 如權(quán)利要求7所述的磁性存儲器，其中所述磁性元件還包括附加間隔 層和附加被釘扎層，所述自由層位于所述附加分隔層和所述分隔層之間，所述 附加分隔層位于所述自由層和所述附加被釘扎層之間。
11. 如權(quán)利要求io所述的磁性元件，其中所述間隔層是勢壘層。
12. 如權(quán)利要求11所述的磁性元件，其中所述附加間隔層是附加勢壘層。
13. 如權(quán)利要求11所述的磁性元件，其中所述附加間隔層是導電性的。
14. 如權(quán)利要求IO所述的磁性元件，其中所述間隔層是導電性的。
15. 如權(quán)利要求14所述的磁性元件，其中所述附加間隔層是附加勢壘層。
16. 如權(quán)利要求14所述的磁性元件，其中所述附加間隔層是導電性的。
17. 如權(quán)利要求1所述的磁性存儲器，還包括 至少一個基準單元；與所述至少一個基準單元耦合的至少一條附加位線；以及與所述至少一個基準單元耦合的至少一條源線。
18. 如權(quán)利要求1所述的磁性存儲器，還包括與所述位線相對應的至少一個備用磁性存儲單元，所述至少一個備用磁性存儲單元各包括備用磁性元件，其可被編程為由被驅(qū)動在第一方向通過所述 備用磁性元件的第一寫電流形成高阻態(tài)，由被驅(qū)動在與所述第一方向反向的第 二方向通過所述備用磁性元件的第二寫電流形成低阻態(tài)；與所述至少一個備用磁性存儲單元相對應的至少一條備用源線； 其中所述至少一條位線與所述至少一條備用源線設置成驅(qū)動所述第一寫 電流在所述第一方向通過所述備用磁性元件，驅(qū)動所述第二寫電流在所述第二 方向通過所述備用磁性元件，并驅(qū)動至少一個讀電流在不會破壞所述低阻態(tài)穩(wěn) 定的第三方向通過所述備用磁性元件。
19. 如權(quán)利要求1所述的磁性存儲器，還包括與所述多條源線的至少一部分相耦合的至少一個備用磁性存儲單元，所述 至少一個備用磁性存儲單元各包括備用磁性元件，其可被編程為由被驅(qū)動在 第一方向通過所述備用磁性元件的第一寫電流形成高阻態(tài)，由被驅(qū)動在與所述 第一方向反向的第二方向通過所述備用磁性元件的第二寫電流形成低阻態(tài)； 與所述至少一個備用磁性存儲單元相對應的至少一條備用位線； 其中所述至少一條備用位線與所述至少多條源線設置成驅(qū)動所述第一寫 電流在所述第一方向通過所述備用磁性元件，驅(qū)動所述第二寫電流在所述第二 方向通過所述備用磁性元件，并驅(qū)動所述至少一個讀電流在所述第三方向通過 所述備用磁性元件。
20. 如權(quán)利要求1所述的磁性存儲器，還包括 至少一個錯誤碼校正。
21. —種磁性存儲器，包括多個磁性存儲單元，所述多個磁性存儲單元各包括磁性元件和選擇裝置， 所述磁性元件被編程為由被驅(qū)動在第一方向通過所述磁性元件的第一寫電流 形成高阻態(tài)，由被驅(qū)動在與所述第一方向反向的第二方向通過所述磁性元件的 第二寫電流形成低阻態(tài)；多條位線，所述多條位線各與所述多個磁性存儲單元的第一部分相對應； 多條源線，所述多條源線各與所述多個磁性存儲單元的第二部分相對應；以及多條字線，所述多條字線各與所述多個磁性存儲單元的一個磁性存儲單元 相對應，并且允許電流流動通過所述磁性存儲單元；其中所述多條位線和所述多條源線設置成驅(qū)動所述第一寫電流在所述第 一方向通過所述磁性元件，驅(qū)動所述第二寫電流在所述第二方向通過所述磁性 元件，并驅(qū)動至少一個讀電流在所述第二方向通過所述磁性元件。
22. 如權(quán)利要求21所述的磁性存儲器，還包括與所述多條字線的至少一部分和所述多條源線的至少一部分相對應的多 個基準單元；以及與所述多個基準單元耦合的至少一條附加位線。
23. 如權(quán)利要求21所述的磁性存儲器，還包括與所述多條位線和所述多條源線相對應的多個備用磁性存儲單元，所述多 個備用磁性存儲單元各包括備用磁性元件，其可被編程為由被驅(qū)動在第一方 向通過所述備用磁性元件的第一寫電流形成高阻態(tài)，由被驅(qū)動在與所述第一方 向反向的第二方向通過所述備用磁性元件的第二寫電流形成低阻態(tài)；其中所述至少一條備用位線與所述多條源線設置成驅(qū)動所述第一寫電流 在所述第一方向通過所述備用磁性元件，驅(qū)動所述第二寫電流在所述第二方向 通過所述備用磁性元件，并驅(qū)動至少一個讀電流在不會破壞所述低阻態(tài)穩(wěn)定的 第三方向通過所述備用磁性元件。
24. 如權(quán)利要求21所述的磁性存儲器，還包括多個備用磁性存儲單元，所述至少一個備用磁性存儲單元各包括備用磁性 元件，其可被編程為由被驅(qū)動在第一方向通過所述備用磁性元件的第一寫電 流形成高阻態(tài)，由被驅(qū)動在與所述第一方向反向的第二方向通過所述備用磁性 元件的第二寫電流形成低阻態(tài)；與所述至少一個備用磁性存儲單元相對應的至少一條備用位線； 與所述至少一個備用磁性存儲單元相對應的至少一條備用源線； 其中所述至少一條備用位線與所述至少一條備用源線設置成驅(qū)動所述第 一寫電流在所述第一方向通過所述備用磁性元件，驅(qū)動所述第二寫電流在所述第二方向通過所述備用磁性元件，并驅(qū)動至少一個讀電流在不會破壞所述低阻 態(tài)穩(wěn)定的第三方向通過所述備用磁性元件。
25. —種利用存儲器中的至少一個磁性存儲單元的方法，所述至少一個磁性存儲單元各包括磁性元件，其可采用自旋轉(zhuǎn)移被編程，所述方法包括對所述至少一個存儲器單元進行編程使之成為高阻態(tài)或低阻態(tài)，包括通過驅(qū)動第一寫電流在第一方向通過所述磁性元件編程為所述高阻態(tài)，通過驅(qū)動第二寫電流在第二方向通過所述磁性元件編程為所述低阻態(tài)，以及通過驅(qū)動至少一個讀電流在不會破壞所述低阻態(tài)穩(wěn)定的第三方向通過所述磁性元件來讀所述至少一個磁性存儲器單元。
26. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述第二方向與所述第一方向反向。
27. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述第二方向與所述第三方向同向。
28. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述編程包括在至少一條位線和至少 一條源線之間驅(qū)動所述第一寫電流和所述第二寫電流。
29. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述讀包括在至少一條位線和至少一 條源線之間驅(qū)動所述至少一個寫電流。
30. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中至少一個選擇裝置與所述至少一個磁 性存儲單元相對應，并且其中所述編程還包括利用至少一條字線選擇性地啟動所述至少一個選擇裝置，以允許所述第一 寫電流或所述第二寫電流流動通過所述至少一個磁性存儲單元。
31. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中至少一個選擇裝置與所述至少一個磁 性存儲單元相對應，并且其中所述讀操作還包括利用至少一條字線選擇性地啟動所述至少一個選擇裝置，以允許所述至少 一個寫電流流動通過所述至少一個磁性存儲單元。
32. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述磁性元件包括具有被釘扎在被釘 扎方向的第一磁化的被釘扎層、間隔層、具有第二磁化的自由層，所述間隔層 位于所述被釘扎層和所述自由層之間，所述自由層設置為使得所述磁性元件被 編程為由被驅(qū)動在所述第一方向通過所述磁性元件的所述第一寫電流形成高 阻態(tài)，由被驅(qū)動在與所述第一方向反向的第二方向通過所述磁性元件的所述第 二寫電流形成低阻態(tài)。
33. 如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述間隔層是勢壘層。
34. 如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述間隔層是導電性的。
35. 如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述磁性元件還包括附加間隔層和附 加被釘扎層，所述自由層位于所述附加間隔層和所述間隔層之間，所述附加間 隔層位于所述自由層和所述附加被釘扎層之間。
36. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述間隔層是勢壘層。
37. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述附加間隔層是附加勢壘層。
38. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述附加間隔層是導電性的。
39. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述間隔層是導電性的。
40. 如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述附加間隔層是附加勢壘層。
41. 如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述附加間隔層是導電性的。
42. 如權(quán)利要求25所述的方法，還包括 編程至少一個基準單元；以及提供所述至少一個讀電流給所述至少一個基準單元。
全文摘要
描述了一種用于提供磁性存儲器的方法和系統(tǒng)。磁性存儲器包括多個磁性存儲單元和至少一條位線以及與多個磁性存儲單元相對應的多條源線。各磁性存儲單元包括磁性元件，其被編程為由被驅(qū)動在第一方向通過磁性元件的第一寫電流形成高阻態(tài)，由被驅(qū)動在第二方向通過磁性元件的第二寫電流形成低阻態(tài)。位線和源線設置成驅(qū)動第一寫電流在第一方向通過磁性元件，驅(qū)動第二寫電流在第二方向通過磁性元件，并驅(qū)動至少一個讀電流在不會破壞低阻態(tài)穩(wěn)定的第三方向通過磁性元件。
文檔編號G11C11/00GK101297371SQ200680040118
公開日2008年10月29日 申請日期2006年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者陳友君 申請人:弘世科技公司