CN1399276A - 具有短读出时间的存储设备 - Google Patents

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Abstract

存储设备包括存储单元的一个存储器阵列，和交叉的字线和位线。在阵列的一端，一组读/写选择开关有选择地耦合位线到列写入电流源和参考电势电压。一组读出放大器选择开关有选择地耦合位线到一个读出放大器，它也处于参考电势电压。可以闭合读出放大器选择开关组中的每个开关以允许读出放大器读出选中的存储单元的二元状态。可以分别闭合读/写选择开关组中的开关以耦合选中的位线到参考电势电压。在读操作期间，对读出放大器选择开关组和读写选择开关组进行操作，使得位线的末端被耦合到参考电势电压，使得存储器阵列保持在等电位状态。因为存储器阵列保持在等电位状态，就不需要由于转换到放大器而产生的稳定时间。因而读操作比在常规设备中要快一些。

Description

具有短读出时间的存储设备
技术领域
本发明的技术领域涉及电阻式交叉点存储设备。更具体地说，本发明的技术领域是有短读出时间的存储设备。
背景技术
磁性随机存取存储器(“MRAM”)是推荐的非易失存储器类型。从MRAM设备访问数据比从常规的长期存储设备，例如硬盘驱动器，访问数据要快得多。另外，MRAM是紧凑的，消耗的能量也要比常规的长期存储设备要少。
图1描绘了一个常规的MRAM存储器阵列10，它在字线14和位线16的交叉点上是一个电阻存储单元12。字线14沿着存储器阵列10的行水平扩展，位线16沿着存储器阵列10的列垂直扩展。每个存储单元12能够存储二元状态“0”和“1”。
图2描绘了一个常规的存储单元12。存储单元12是一个自旋相关隧道效应(“SDT”)设备。存储单元12包括钉扎层24和自由层18。钉扎层24的磁化具有固定的取向，由箭头26说明。自由层18的磁化，由双向箭头28说明，可以沿着自由层18的“易磁化轴”定向在两个方向中的任意一个方向上。如果自由层18和钉扎层24的磁化方向相同，存储单元12的取向就是“平行的”。如果它们的磁化方向相反，存储单元12的取向就是“反平行的”。这两个取向分别对应于二元状态“1”和“0”。
自由层18和钉扎层24由绝缘隧道阻挡层20分隔开。绝缘隧道阻挡层20允许在自由层18和钉扎层24之间发生量子力学隧道效应。隧道效应是与电子自旋相关的，使得存储单元12的电阻成为自由层18和钉扎层24的磁化的相对取向的函数。如果存储单元12的取向是平行的，那么它的电阻就有“低”值R，如果它的方向是反平行的，那么其电阻就有“高”值R+ΔR。
存储器阵列10中的每个存储单元12可以有它的由写操作来改变的二元状态。提供给在特定存储单元12上交叉的字线14和位线16的写电流在与钉扎层24平行和反平行之间转换自由层18的磁化。通过位线16的电流Iy产生磁场Hx。当电流Ix通过字线14时会产生类似的磁场Hy。磁场Hx和Hy结合转换存储单元12的磁化方向。可以读取因为改变存储单元磁化而产生的电阻变化以确定存储单元12的二元状态。
存储器阵列10中的每个位线16被连接到一个开关上(未示出)，而且每个开关连接到一个读出放大器(未示出)的输入上。当与存储单元12相交的位线16被连接到读出放大器的输入上时，通过在特定存储单元12的字线14上施加读电压，可以读取选中的存储单元12的二元状态，或“位”。连接选中的位线16到读出放大器的开关可以交替地打开或闭合以读取选中的存储单元12。
存储器阵列10在读出存储单元12之间“稳定”的需求会减慢常规存储器阵列10中的读操作。存储器阵列10必须稳定下来，因为每次连接选中的位线16到读出放大器的开关是打开或者闭合的，在位线16末端的电势也发生变化。位线末端的电势变化引起存储单元12间的电压也变化到一个不同的平衡状态。控制读操作的微处理器因而必须把稳定时间合并到读操作中以允许存储器阵列10稳定到存储单元12的读取之间期望的平衡状态。稳定时间是不期望的，因为在每个单位时间中能读取的存储单元12很少。
因而存在着减少存储器阵列中的读时间的需要。
发明内容
按照第一方面，存储设备实现减少的读出时间。存储设备包括一个存储单元的存储器阵列，并交叉字线和位线。一组(bank)读出放大器选择开关有选择地耦合位线到一个读出放大器。可以闭合该组读出放大器选择开关中的每个开关以允许读出放大器读出选中的存储单元的二元状态。一组读/写选择开关有选择地耦合位线到列写入电流源和参考电势电压。可以分别闭合该组读/写选择开关中的开关以耦合选中的位线到参考电势电压。在读操作期间，操作该组读出放大器选择开关和该组读/写选择开关以使存储器阵列中的位线保持在等电位状态。
按照第一方面，阵列不受位线同读出放大器的连接和断开的干扰。被设置在参考电势电压的读出放大器向作为该组读/写开关的位线提供相同的电位。因为存储器阵列中的位线不受等电位状态干扰，因而不需要由转换到放大器而引起的稳定时间。读出时间因而短于常规设备中的读出时间。
下面结合附图由详细描述将使其它方面和优点变得更加清楚。
附图说明
图1说明常规的存储单元阵列；
图2说明常规存储单元的二元状态；
图3是一种存储设备的实施方案的示意图；
图4是说明图3中所说明的存储设备的写操作的流程图；
图5是图3中说明的存储设备的读时序图；
图6是说明图3中所说明的存储设备的读操作的流程图。
具体实施方式
将经由优选实施方案以及附图来论述存储设备5 0。
图3是存储设备50的示意图。存储设备50包括控制器52、列译码器54、行译码器56、存储器阵列100、写选择开关组200、读/写选择开关组300、读出放大器选择开关组400、读/写选择开关组500、写终止选择开关组600以及读出放大器700。
控制器52通过行译码器56和列译码器54控制存储设备50的读和写操作。控制器52耦合到行译码器56以传递命令到行译码器56，包括读/写(R/W)数据和地址数据。行译码器56连接到开关组500和600中的开关的门上，并根据控制器52指令打开或闭合开关。同样地，控制器52耦合到列译码器54，而列译码器54耦合到开关组200、300、400中的开关的门上。举例说明用在存储设备50中的开关为晶体管。然而，也可以使用别的开关，例如FET或MOSFET开关和其它开关。
存储器阵列100存储存储设备50的数据。在存储器阵列100中，字线110沿水平行扩展，位线120沿垂直列扩展。字线110和位线120交叉在存储单元130上。每个存储单元130能够存储一个二元状态“1”或“0”。在图3中，为便于说明起见，显示了3行字线110和8列位线120，它们交叉在24个存储单元130上。在实践中，可以使用例如1024×1024存储单元以及更大的阵列。在图3中，由存储单元130周围的椭圆指示示例性的存储单元130。该存储单元130在第二行中的字线110和第五列中的位线120的交叉点上。
为了向存储器阵列100中的任意存储单元130写入，要向存储单元130所在列的位线120提供列写入电流，并且向存储单元130所在的行的字线110提供行写入电流。由字线和位线中的写电流产生的磁场结合起来从“0”到“1”改变存储单元130的二元状态，反之亦然。
写选择开关组200包括写选择开关201、202、203、204、205、206、207、208。每个写选择开关连接到存储器阵列100的一个位线120上。写选择开关组200允许把列写入电流施加给选中的位线120。列写入电流由列写入电流源210产生。开关212有选择地耦合列写入电流源210到写选择开关组200。开关214有选择地耦合写选择开关组200到地。
读/写选择开关组300包括读/写选择开关301、302、303、304、305、306、307、308。每个读/写选择开关耦合到存储器阵列100的一个位线120上。读/写选择开关组300允许向选中的位线120提供列写入电流。列写入电流是由列写入电流源310提供给读/写选择开关组300的。列写入电流源310通过开关312被有选择地耦合到读/写选择开关组300。读/写选择开关组300通过开关314有选择地耦合到参考电势电压。在图3中描绘的实施方案里，使用了地的参考电势电压。然而，也可以使用其它参考电势电压。
读出放大器选择开关组400有选择地耦合读出放大器700到存储器阵列100的位线120。读出放大器选择开关组400包括开关401、402、403、404、405、4 06、407和408，每个开关有选择地耦合一个对应的位线120到读出放大器700。开关组400允许读出放大器700检测选中的存储单元130的二元状态。
读/写选择开关组500包括读/写选择开关501、502、503。每个读/写选择开关耦合到存储器阵列100的一个字线110上。读/写选择开关组500通过开关512耦合到行写入电流源510，并通过开关514耦合到读电压Vr。写终止选择开关组600包括开关601、602、603。写终止选择开关组600有选择地耦合各个字线100到地。当向选中的字线110提供行写入电流时，写终止选择开关组600中的对应开关就被闭合，以允许行写入电流流过选中的字线110。
现在将参考图3和图4来讨论存储设备50的写操作。图4是描绘存储设备50的写操作的流程图。
在步骤S10中，控制器52选择交叉在选中的存储单元130上的行和列。在步骤S12中，控制器52启动存储设备50的写入序列。在步骤S14中，控制器52设置存储设备50中的所有开关为打开。
在步骤S16中，使能开关组500和600被使能以向存储器阵列100提供行写入电流。通过闭合开关512来使能开关组500和600。一旦开关组500和600中选中的开关被闭合，闭合开关512就允许行写入电流流过选中的字线110。
在步骤S18中，开关组200和300被使能以提供列写入电流给存储器阵列100。如果控制器52正在向选中的存储单元130写入“0”状态，就通过闭合开关212、314来使能开关组200和300。这个配置在开关组200和300中选中的开关被闭合之后，允许列写入电流从列写入电流源210，经过选中的位线120，然后通过开关314流向地。相反地，如果将要向选中的存储单元130写入“1”状态，就通过闭合开关214和312来使能开关组200和300。这个配置在开关组200和300中选中的开关被闭合之后，允许列写入电流从列写入电流源310，经过选中的位线120，然后通过开关214流向地。
在步骤S20中，向选中的字线110提供行写入电流，并向选中的位线120提供列写入电流。行写入电流是通过闭合开关组500和600中与选中的行相对应的开关而施加的。例如，如果选中了存储器阵列100的第2行和第5列中所指示的存储单元130的二元状态，开关502和602被闭合，允许行写入电流流过第2列中的字线110。
列写入电流是通过闭合开关组200和300中与选中的位线120对应的开关而施加的。在上述实例中，开关205和305被闭合，允许列写入电流流过第5列中的位线120。
在存储器阵列100中，位于选中的行和列的交叉点上的所指示的存储单元130的二元状态由写操作来改变。位于选中的字线110和位线120的交叉点上的选中的存储单元130上的合成磁场是由行和列写入电流产生的磁场之和。合成磁场改变选中的存储单元130的二元状态。
行和列写入电流应该是基本上同时施加的。在行和列写入电流的施加期间仅仅短时闭合开关组中的开关。例如，可以闭合开关一段大约1-100纳秒的时间。
现在将参考图3、5和6来论述存储设备50的读操作。图5是存储设备50的读时序图，图6是描绘存储设备50的读操作的流程图。
在步骤S32中，控制器将存储设备置于读模式。这时，控制器52可以发送选中的存储器单元130的行和列地址给行译码器56和列译码器54。地址的传递与图5中的读时序图的“地址”行对应。
在步骤S34中，控制启动一个读序列。在步骤S36中，存储设备50中的所有开关都被设置成打开。
在步骤S38中，通过闭合开关314和301-308而把位线120连接到参考电势电压上。参考电势电压可以是地。在图5中，为说明起见，在“开关组300”一行，开关组300在读时序图的开始被描绘成闭合的。
在步骤S40中，闭合开关514被闭合以向读/写选择开关组500提供读电势Vr。
在步骤S42中，闭合开关组500中与选中的行相对应的开关是闭合的，给选中的位线120施加读电势Vr。例如，如果要读取所指示的存储单元130，将闭合开关502(对应于第二行)。由此施加读电势Vr给第二行中的字线110。当存储器阵列100稳定时允许经过一个时间。那个稳定时间允许位线120中的电流到达稳定状态。参考图3，这些电流从选中的字线110流经与选中的字线110接触的存储器单元130、流经位线120、开关组300中的开关和开关314。
在步骤S44中，闭合开关组400中与选中的列对应的开关。在上面的实例中，开关405被闭合。剩下的开关410-404、406-408保持打开。闭合开关组400中的开关就把选中的列连接到了读出放大器700。这个连接是由图5的读时序图中的“开关组400”一行描绘的。
读出放大器700位于参考电势电压。例如，如果开关314被连接到地的参考电势电压，读出放大器700就可以处于假接地。因此，选中的位线120所耦合的电势在读出放大器700被连接时并没有变化。当读出放大器700被连接时，读电流流过的路径上的电阻只有极微小的变化，因为该路径上的几乎所有电阻都位于存储单元130中。因此，当选中的位线120连接到读出放大器700时对存储器阵列100来说实际上没有干扰。
在步骤S46中，开关组300中与选中的列对应的开关被打开，从开关314处的参考电势电压断开选中的位线120。开关组300中剩下的开关保持闭合。在该实例中，开关305是打开的。
在读出放大器700保持通过开关405连接到选中的位线的同时，开关305也保持打开。因为选中的位线120保持连接到读出放大器700，位线120保持连接到参考电势电压，而且在存储器阵列100中有最小的干扰。存储器阵列100因而被维持在它的平衡电位上。
在步骤S50中，读出放大器700从选中的位线120读出电流以确定选中的存储单元130的二元状态。可以由控制器52从读出放大器700的输出检测出二元状态。读出放大器700的输出可以指示选中的存储单元130的电阻状态。或者，读出放大器700可以包括支持电路以确定二元状态并输出二元状态给控制器52。二元状态可以被确定为由于通过选中的位线120的电流的增加或减少而引起的选中的存储单元130的电阻的变化。例如，高电阻状态(反平行状态)导致通过存储单元130的低电流，它可以表示二元状态“0”。低电阻状态(平行状态)导致通过存储单元130的高电流，它可以表示二元状态“1”。
在步骤S52中，闭合开关组300中与选中的位线120对应的开关。闭合这个开关就通过开关314把选中的位线120与参考电势电压耦合在了一起。在步骤S54中，开关组400中与位线120对应的开关被打开。打开这个开关就从读出放大器700断开选中的位线120。此时，存储器阵列100中的所有位线120都通过开关314连接到参考电势电压。
在步骤S52和S54中开关的打开和闭合期间，选中的位线120末端的电势保持在参考电势电压。存储器阵列100因而被维持在它的平衡电位。
在步骤S56中，控制器52确定是否将要读取选中的行中的不同存储单元130。如果是，该过程就返回到步骤S44。如果不是，就在步骤S58中由控制器52确定是否将要读取不同行中的存储单元130。如果是，该过程返回到步骤S42。如果不是，就在步骤S60中结束读操作。
根据读取存储器阵列的上述方法，就消除了由于选中的位线120和读出放大器700的连接和断开而产生的存储器阵列100的稳定时间。稳定时间是不必要的，因为在整个读操作期间存储器阵列100都被维持在它的平衡电位。维持平衡电位是因为在同读出放大器700的连接和断开期间位线120还可以交替地连接到相同的参考电势电压。
在上述实施方案中，位线120通过开关组300和400连接到地。这仅仅是参考电势电压的一个实例，仍然可以使用其它参考电势电压。
读出放大器700是用于检测存储设备50中的存储单元130的二元状态的读出装置的一个实例。在实践中，也可以使用其它读出装置，例如传导-阻抗(trans-impedance)读出放大器、电荷-注入读出放大器、微分读出放大器或者数字微分读出放大器。
在图3中描绘了用于读出存储单元130的二元状态的一种读出放大器700。在实践中，可以把非常大量的读出装置耦合到存储器阵列。例如，可以为存储器阵列中的每个位线包括一个读出放大器，或者为存储器阵列中的每两个或更多位线包括一个读出放大器。
用来在存储器阵列中写入“0”和“1”状态的电流的惯例是任意的，并且可以重新指定以适合存储设备50的任何期望的应用。
用在存储器阵列100中的存储单元130可以是响应读和写电流的任意类型的存储单元。例如，巨磁阻设备(GMR)、自旋隧道结(STJ)以及其它类型的存储单元都可以用在存储器阵列50中。
存储器阵列50可以用在非常广泛的各种应用中。一种应用可能是有MRAM存储模块的计算设备。MRAM存储模块可以包括一个或多个MRAM存储器阵列用于长期存储。
MRAM存储模块可以用在像膝上型计算机、个人计算机和服务器这样的设备中。
虽然存储设备50是参考示例性的实施方案进行描述的，对那些本领域的技术人员来说有很多修改都是显而易见的，而且本公开意在覆盖其变化。

Claims (10)

1.一种读取存储器阵列(100)的方法，该存储器阵列(100)包括多个字线(110)和多个位线(120)，字线和位线交叉在多个存储单元(130)处，该方法包括：
给耦合到选中的存储单元(130)的选中的字线(110)施加读电压(Vr)；
通过第一开关(301-308)把耦合到选中的存储单元的选中的位线(120)耦合到参考电势电压；
通过第二开关(400-408)把选中的存储单元耦合到读出装置(700)；
打开第一开关(301-308)以从参考电势电压断开选中的存储单元；并
使用读出装置读取选中的存储单元的二元状态。
2.权利要求1的方法，其中第一和第二开关被耦合到选中的位线的一端，打开第一开关的步骤包括：
在耦合选中的存储单元到读出装置的步骤之后打开第一开关。
3.权利要求2的方法，其中打开第一开关的步骤包括：
在读取选中的存储单元的二元状态的步骤之前打开第一开关。
4.权利要求3的方法，包括：
在读取存储单元的二元状态的步骤之后闭合第一开关。
5.权利要求4的方法，包括：
在读取存储单元的二元状态的步骤之后打开第二开关。
6.权利要求5的方法，其中向选中的字线施加读电压的步骤包括：
闭合耦合读电压到选中的字线的开关。
7.权利要求6的方法，其中耦合选中的存储单元到读出装置的步骤包括：
耦合选中的位线到参考电势电压。
8.权利要求7的方法，其中参考电势电压是地电位。
9.权利要求2的方法，其中，在选中的存储单元被耦合到读出装置时，选中的位线末端上的电势基本上不被改变。
10.权利要求9的方法，其中参考电势电压是地电位。
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