CN102479919B - 通量编程的多位磁存储器 - Google Patents

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Abstract

一种用于例如多位磁性随机存取存储器单元的非易失性存储器单元的装置和相关方法。根据各实施例，第一磁隧道结(MTJ)毗邻于具有磁性过滤器的第二MTJ。第一MTJ通过第一磁通量编程为第一逻辑状态，同时磁性过滤器吸收第一磁通量以防止第二MTJ被编程。

Description

通量编程的多位磁存储器
发明内容
本发明的各实施例一般涉及一种配置成通过磁通量编程的多位非易失性存储器单元。
根据各实施例，第一磁隧道结(MTJ)毗邻于具有磁性过滤器的第二MTJ。第一MTJ通过第一磁通量编程为第一逻辑状态，而磁性过滤器吸收第一磁通量以防止第二MTJ被编程。
以本发明的各个实施例为表征的这些和其他特征和优点可考虑以下具体讨论和所附附图来理解。
附图说明
图1是根据本发明的各个实施例所构成和操作的示例性数据存储设备的概括功能表示。
图2示出用于从图1中设备的存储器阵列读取数据和写入数据的电路。
图3概括地示出一种可将数据写入存储器阵列的存储器单元的方式。
图4概括地示出一种可从图3的存储器单元读取数据的方式。
图5示出根据本发明的各个实施例所构成和操作的示例性存储器单元。
图6示出图5的存储器单元的示例性操作配置。
图7示出根据本发明的各个实施例所构成和操作的示例性存储器单元的等距表示。
图8显示根据本发明各种实施例进行的示例性单元编程例程的一种流程图和相应说明的磁性层叠。
具体实施方式
本公开一般涉及多位非易失性磁性存储器单元。固态非易失性存储器是在形状因数不断减少的情况下为了提供可靠的数据存储和更快的数据传输速率而正在研发的技术。但是，这种固态存储器由于低单元密度和大的编程要求而具有有限的实际应用。随着数据存储设备尺寸减小，大的编程要求能导致相邻单元的高易失性，这对应于降低的存储器单元可读性和可写性。
因此，包括与具有磁性过滤器的第二MTJ毗邻的第一磁隧道结(MTJ)的存储器单元提供增加的单元密度加上减小的编程需求。通过使低于一阈值的磁通量通过，第一MTJ可被编程至一逻辑状态，而第二MTJ的磁性过滤器吸收第一磁通量以防止第二MTJ被编程。相比而言，由于磁性过滤器在存在充足磁通量时变得磁饱和，因此高于阈值的磁通量的通过将两MTJ均编程至一逻辑状态。如此，由于有选择地编程MTJ中的一个或两者的能力，因此能获得多位和增加的存储器容量。
图1提供根据本发明的各种实施例来构造和运作的数据存储设备100的功能框图。该数据存储设备被构想成包括诸如PCMCIA卡或USB型外部存储器件之类的便携式非易失性存储器存储设备。然而，应当理解，设备100的这些特性仅仅是出于说明具体实施例的目的，而非限于所要求保护的主题。
器件100的顶层控制由适当的控制器102实现，控制器102可以是可编程的或基于硬件的微控制器。控制器102经由控制器接口(I/F)电路104和主机I/F电路106与主机设备通信。必要的命令、编程、操作数据等的局部存储经由随机存取存储器(RAM)108和只读存储器(ROM)110提供。缓冲器112用来暂存来自主机设备的输入写数据并将待传输的数据读回给主机设备。
在114示出包括大量存储器阵列116(标示为阵列0-N)的存储器空间，尽管应当理解可根据需要使用单个阵列。每个阵列116包含经选择的存储容量的磁性(MRAM)半导体存储器的一个块。控制器102和存储器空间114之间的通信是经由存储器(MEM)接口118来协调的。根据需要，实时检错和纠错(EDC)编码和解码操作是藉由EDC块120在数据传输过程中执行的。
尽管并非限制，但在一些实施例中，图1所示的各个电路被排列成单个芯片集，该单个芯片集在具有适当的封装、外壳和互连特征(出于清楚的的目而未单独示出)的一个或多个半导体管芯上形成。运作该设备的输入功率由合适的功率管理电路122处理并从例如电池、AC电源输入等适当源提供。功率也能例如通过使用USB型接口等从主机直接被提供给设备100。
可利用任何数量的数据存储和传输协议，诸如逻辑块寻址(LBA)，由此数据被排列并存储在固定尺寸的块(诸如ECC、备用、头部信息等的512字节的用户数据加上开销字节)中。根据LBA发布主机命令，并且设备100可进行相应LBA-PBA(物理块地址)转换来标识并服务拟存储或检索数据的关联位置。
图2提供图1的存储器空间114的选定方面的一般表示。数据被存储为存储器单元124的行列布局，它们可由各行(字)和列(位)线访问。单元及其访问线的实际配置将取决于给定应用的需求。然而，总体上应当理解，各种控制线将一般包括选择地启用和禁用对各个单元的值分别写和读的使能线。
控制逻辑126分别沿多线总线路径128、130和132接收和传输数据、寻址信息和控制/状态值。X和Y解码电路134、136提供适当的切换和其它工作以访问适当的单元124。写电路138代表用以执行将数据写至单元124的写操作的电路元件，而读电路140相应地用以从单元124获得读回数据。经传输的数据和其它值的局部缓存可经由一个或多个局部寄存器144提供。在这一点上，要理解图2的电路本质上仅仅是示例性的，并能取决于给定场合的需求根据需要容易地采用任何数量的替代性配置。
数据大体如图3所示的那样被写至相应的存储器单元124。一般而言，写入电源146施加必要的输入(例如以电流、电压、磁化等形式)以将存储器单元124配置成期望的状态。可以理解，图3仅仅是位写入操作的代表性图示。可适当地操控写入电源146、存储器单元124和基准节点148的配置以允许向每个单元写入所选择的逻辑状态。
如以下所解释的，在一些实施例中，存储器单元124采取经修正的磁性随机存取存储器(MRAM)配置，在此情况下，写入电源146表征为通过存储器单元124连接到合适基准节点148(诸如接地点)的电流驱动器。写入电源146通过在MRAM单元附近穿过的字线提供电流。来自字线的磁通量产生改变存储器单元124的磁矩的方向的磁场。
根据磁矩的方向，单元124可呈相对低电阻(RL)或相对高电阻(RH)。虽然不是限制性的，示例性RL值可在约100欧姆(Ω)的范围内，而示例性RH值可在约100KΩ的范围内。这些值由相应的单元保持，直到该状态被后续写入操作改变为止。尽管不是限制性的，然而在本示例中，预期高电阻值(RH)表示由单元124存储逻辑1，而低电阻值(RL)表示存储逻辑0。
由每个单元124存储的逻辑位值可以例如图4所示的方式确定。读电源150将适当的输入(例如选定的读电压)施加于存储器单元124。流过单元124的读电流IR的量将因变于单元电阻(分别为RL或RH)。跨存储器单元的电压降(电压VMC)是通过比较器(感测放大器)154的正(+)输入端经由路径152测得的。从基准源156将合适基准(例如电压基准VREF)提供给比较器154的负(-)输入端。
可从各种实施例中选出基准电压VREF以使存储器单元124两侧的电压降VMC在单元的电阻被设为RL时低于VREF值，而在单元的电阻被设为RH时高于VREF值。以此方式，比较器154的输出电压电平将指示由存储器单元124存储的逻辑位值(0或1)。
图5总地示出根据本发明各个实施例的非易失性存储器单元160。第一磁隧道结(MTJ)162定位成在源平面166上与第二MTJ164相邻。第一和第二MTJ162、164各自通过磁性传导间隔层170和磁性过滤器172附连于读线168。传导间隔层170被配置成允许与流过字线174的电流对应的磁通量以预定的逻辑状态对第一MTJ162的铁磁性自由层176进行编程。
在操作中，流过字线174的具有预定值和方向的电流产生一磁通量，该磁通量设定自由层176的磁化方向，该磁化方向可相对于磁性钉扎层178解读成一逻辑状态。如果该电流低于预定的阈值，则磁性过滤器172吸收磁通量并屏蔽第二MTJ164的磁性自由层180并阻止任何编程。否则，高于预定阈值的电流使磁性过滤器172饱和并使其从磁性隔绝材料转变为磁传导材料，该磁传导材料允许磁通量渗透过自由层180并编程一逻辑状态。
图5所示具有毗邻MTJ162、164的存储器单元160结构允许根据流过字线174的电流的强度对MTJ中的一者或两者的逻辑状态选择性地编程。经编程的逻辑状态接下来可通过激活例如晶体管和/或二极管的选择器件182并使读电流从读线168通过MTJ162、164至源平面166而被读取。通过附连于同一读线168和源平面166的两个MTJ162、164，可通过多种方式解读读电流以同时确定每个MTJ162、164的逻辑状态。
如能理解的那样，各相应MTJ162、164的钉扎层178、184可以是诸如反铁磁(AFM)材料之类的单层、诸如合成反铁磁结构之类的叠层或诸如耦合到磁性自由层的AFM之类的组合层，其在磁通量或者高于或者低于预定阈值的情况下维持预设的磁化。每个MTJ162、164可进一步配置以磁阻隧道结186，该磁阻隧道结186使钉扎层178和自由层186分隔开。
尽管存储器单元160不仅限于图5所示的配置，然而字线174在一些实施例中沿与各MTJ162、164的纵轴垂直的轴延伸。图6中进一步给出MTJ的各种配置以及磁通量方向的示例，其示出另一示例性存储器单元190的一部分的操作图。
单元190具有双MTJ192、194，它们各自具有磁性自由层196和钉扎层198，这两个层由实现磁阻效应的隧道结200隔开。MTJ 192、194分别在底表面耦合于源平面202而在顶表面通过磁性传导间隔层206和磁性过滤器208耦合于读线204。
低于预定值的电流通过字线210产生磁通量212，该磁通量212围住字线210并使磁性过滤器磁饱和并同时对第一MTJ192的自由层196设定预定的磁化。在一些实施例中，磁性过滤器208是表现出低矫顽性的软磁材料，该低矫顽性允许过滤器208吸收磁通量212以磁饱和并同时屏蔽磁通量212以使其不会到达第二MTJ194的自由层196。
高于预定值的电流的流过能提供使磁性过滤器208饱和并设定MTJ192、194的自由层196磁化的磁通量214。因而，控制流过字线210的电流量可个别或集总地选择性地编程MTJ192、194中的每一个的磁化和相应的逻辑状态。编程MTJ192、194中的一者或两者的磁化的能力允许对单个存储器单元中的数据的多个位的高效编程。
尽管图6示出顺时针方向绕字线210旋转的磁通量，然而该方向是不受限制的，因为电流可沿逆时针方向流过字线210，这将产生沿相反方向旋转的磁通量，并相比图6所示的磁通量在自由层196中设定相反的磁化。然而，可修正MTJ192、194的物理方向从而以各种方式与所产生的磁通量相互作用，如图7所示。
图7大体地示出一示例性存储器单元220的等距图，其中第一和第二MTJ222、224沿与字线226垂直的轴延伸。也就是说，与流过字线226和字轴228的电流对应的磁通量平行地穿过各MTJ222、224的长轴230。磁通量比f更长时间地进一步接触各MTJ的自由层232，MTJ222和224与图7所示的方向具有90°的偏移。通过将长轴230垂直于字线226的MTJ222、224定向，最大量的磁通量被施加在自由层232上，并且编程效率提高。
可修改MTJ222、224的配置以提供进一步提高编程效率的不同矫顽性和阻抗。可以多种方式取得不同的操作特性，没有一种操作特性是必须的或限定的。一种这样的方式是通过调整分隔MTJ222、224的钉扎层和自由层的隧道结234的厚度。隧道结的厚度增加可增加MTJ的阻抗并在单元220的磁性位之间引入简并。
此外，也可改变隧道结的材料以改变工作性能，例如改变MTJ的预定磁通量值，并允许更有效的读和编程。例如，第一MTJ222的隧道结可小于第二MTJ224的隧道结，从而使磁通量减小以对第一MTJ222单独编程。该要求磁通量的减小转变为较小的电流并用较低量的能量进行编程。
单元220可进一步被调整以获得各种MTJ读取特性，例如较快的读取时间和较低要求的读取电流。附连于将MTJ222、224接合的源平面238的选择设备236可配置成提供众多可调节参数，这些可调节参数对单元220的读取产生影响。选择设备236的大小(包括选择电压和总电流容量)可根据需要调整，以调谐MTJ222、224的读取从而提供最佳性能。
可用于图5-7的存储器单元的示例性单元编程例程240的流程图示出于图8。例程240通过提供具有至少两个毗邻的MTJ的存储器单元而开始，其中一个MTJ具有磁性传导的间隔层而另一个具有磁性过滤器，如单元342图示的那样。如前所述，磁性过滤器可以是吸收磁通量以从磁性隔绝转变为磁性传导的软磁材料。例程继续至判决244，其中确定MTJ的要求的逻辑状态。
尽管两个以上MTJ能提供任何数量的可编程位和随之产生的逻辑状态组合，然而两个MTJ允许四种逻辑状态组合(01、11、10和00)。“11”或“01”逻辑状态组合的判断进至步骤246，其中高于预定阈值的正电流流过字线，如单元346所示那样。字线中的该正电流产生大到足以使磁性过滤器饱和并将两MTJ的自由层编程至“1”逻辑状态的磁通量。
如果要求“11”组合，则例程可对于另一存储器单元返回判决244。否则，例程进至步骤248，在该步骤，低于磁性过滤器的预定阈值的负电流流过字线以产生将要通过磁性过滤器与第二MTJ的自由层屏蔽的磁通量。如所能理解的那样，“正”电流和“负”电流的使用严格关联于电流流过字线的方向，并且决不要求该电流具有负值。如单元348所示，负电流和相应的负磁通量只是沿相对于正电流和磁通量的相反的方向流动。
例程240可进至不同的存储器单元并再次开始，或者在步骤242提供的同一单元可在步骤248之后返回到判决244，以再编程至一不同的逻辑状态组合。在“00”或“10”是所要求的组合的情况下，例程240从步骤244进至步骤250，其中诱发负电流和相应的磁通量，如单元350所示，以将两MTJ编程至0逻辑状态。在步骤252使低于预定阈值的正电流进一步通过，从而将第一MTJ编程至1逻辑状态，同时磁性过滤器屏蔽第二MTJ不受磁通量作用，如单元352所示那样。
要注意，编程例程240不仅限于图8所示的步骤和相应的示例性存储器单元。可改变或省去各步骤，并同时可根据需要添加新步骤。例如，随着逻辑状态被连续编程和再编程，判决244可对同一存储器单元重复不定的次数。在另一示例性修正中，所有正电流和负电流惯例可颠倒，以使负电流产生逻辑状态1，同时负状态编程逻辑状态0。
如本领域技术人员所理解地，本文所示的各种实施例在存储器单元编程与读取效率两方面都提供优势。同时读取存储器单元中的两个位的能力因而需要更少的读电流。此外，选择地对多个位中的一个位编程的能力允许较少的编程电流，同时增加数据容量。但是，要理解，本文所讨论的各种实施例具有许多潜在应用，且不限于某些电子介质领域或数据存储装置类型。
要理解，即使已在前面的描述中阐述了本发明各实施例的许多特征和优势以及本发明各种实施例的结构和功能的细节，然而该详细描述仅为解说性的，并可在细节上作出改变，尤其可在表达所附权利要求的术语的宽泛意思所指示的全面范围对落入本发明原理内的部分的结构与配置作出改变。

Claims (18)

1.一种存储器单元，包括与具有磁性过滤器的第二磁性隧道结MTJ毗邻的第一MTJ，所述第一MTJ通过第一磁通量被编程至第一逻辑状态，同时所述磁性过滤器吸收所述第一磁通量以防止所述第二MTJ被编程，其中所述第一磁通量低于一预定值。
2.如权利要求1所述的存储器单元，其特征在于，所述第一磁通量的吸收使所述磁性过滤器饱和并引发从磁性隔绝至磁性传导的转变。
3.如权利要求1所述的存储器单元，其特征在于，所述第一和第二MTJ通过大于所述预定值的第二磁通量被同时编程。
4.如权利要求1所述的存储器单元，其特征在于，所述磁通量是通过使电流流过非接触地毗邻于所述第一和第二MTJ的字线而产生的。
5.如权利要求4所述的存储器单元，其特征在于，所述第一和第二MTJ各自沿一长轴延伸，所述长轴垂直于电流沿字线的流动方向。
6.如权利要求1所述的存储器单元，其特征在于，所述磁性过滤器是具有低矫顽性的软磁材料。
7.如权利要求1所述的存储器单元，其特征在于，所述第一和第二MTJ各自在顶表面上耦合于读线并在底表面上耦合于源平面。
8.如权利要求7所述的存储器单元，其特征在于，所述源平面连接于选择设备，所述选择设备选择性地允许读取所述第一和第二MTJ。
9.如权利要求1所述的存储器单元，其特征在于，所述第一MTJ具有与所述第二MTJ不同的阻抗。
10.如权利要求9所述的存储器单元，其特征在于，由于所述第一MTJ的隧道结具有比所述第二MTJ的隧道结更大的厚度，所述第一MTJ具有比所述第二MTJ更大的阻抗。
11.一种为存储器单元编程的方法，包括：
提供与具有磁性过滤器的第二MTJ毗邻的第一磁性隧道结MTJ；以及
以第一磁通量将所述第一MTJ编程为第一逻辑状态，同时磁性过滤器吸收第一磁通量以防止第二MTJ被编程，
其中，所述磁通量小于预定阈值。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述磁通量是通过使电流流过非接触地毗邻于所述第一和第二MTJ的字线而产生的。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，大于预定阈值的第二磁通量使所述磁性过滤器饱和并对所述第一和第二MTJ编程。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一磁通量沿第一方向流动而所述第二磁通量沿相反的第二方向流动。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一和第二MTJ通过相继地使所述第二磁通量通过并随后使所述第一磁通量通过而被编程至相反的磁化。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一和第二MTJ耦合于源平面，所述源平面连接于选择设备，所述选择设备选择性地允许对MTJ的同时读取。
17.一种存储器单元，包括：
第一磁性隧道结MTJ，所述第一磁性隧道结具有与包括磁性过滤器的第二MTJ毗邻的磁性传导间隔层，所述传导间隔层和所述磁性过滤器各自附连于各MTJ的顶表面和读线；
字线，所述字线通过所述读线与所述第一和第二MTJ分隔，所述第一MTJ通过第一磁通量被编程至第一逻辑状态，所述第一磁通量是由流过所述字线并低于预定值的第一电流产生的，同时所述磁性过滤器吸收所述第一磁通量以防止所述第二MTJ被编程。
18.如权利要求17所述的存储器单元，其特征在于，通过使高于所述预定阈值的第二电流流过所述字线以产生对两MTJ编程的第二磁通量并使所述第一电流流过所述字线，所述第一和第二MTJ被编程至相反的逻辑状态。
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