CN1886799A - 防止对磁阻存储器元件错误编程的方法和器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁阻存储器元件阵列，它包括用于测量所述磁阻存储器元件附近外部磁场的磁场传感器单元，以及测量到的外部磁场超过门限值时，临时禁止任何编程操作的装置。还提供相应的方法。

Description

防止对磁阻存储器元件错误编程的方法和器件

技术领域

本发明涉及一种方法和器件，用于在有外部磁场期间防止对比如MRAM器件这种磁阻存储器元件错误编程。

背景技术

目前，磁性或磁阻随机存取存储器(MRAM)被许多公司看作快闪存储器的替代品。除最快的静态RAM(SRAM)以外，它具有替代所有存储器的潜力。这使得MRAM非常适合作为片上系统(SoC)的嵌入式存储器。它是一种非易失性的存储器(NVM)器件，这意味着保持存储的信息不需要任何电力。相对于大多数其它类型的存储器来说，这一点被看作是一个优点。MRAM存储器尤其是能够用于“移动”应用上，例如智能卡、移动电话、PDA等。

MRAM概念最初是在美国的Honeywell公司发展起来的，它将磁性多层器件中的磁化方向用作信息存储器，而将得到的电阻差用于读出信息。与所有的存储器器件一样，MRAM阵列中的每个存储器元件都必须能够保存代表“1”或“0”的至少两个二进制状态。

存在不同种类的磁阻(MR)效应，其中巨型磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)是目前最重要的。GMR效应和TMR效应提供了实现只添加(a.o.)非易失性磁存储器的可能性。这些器件包括一叠薄膜，其中至少两层是铁磁性的或亚铁磁性的，并且由一层非磁性中间层分隔开。GMR是具有导体中间层结构的磁阻，TMR是具有电介质中间层结构的磁阻。如果在两个铁磁性或亚铁磁性膜中间放上非常薄的导体，那么，这种复合多层结构的有效平面电阻，在这些膜的磁化方向平行的时候最小，在这些膜的磁化方向反平行的时候最大。如果在两个铁磁性或亚铁磁性膜中间放上薄电介质中间层，那么，当这些膜的磁化方向平行的时候，将观测到膜之间的隧道电流最大(或者因此电阻最小)，当这些膜的磁化方向反平行的时候，膜之间的隧道电流最小(或者因此电阻最大)。

通常用上述结构从平行变到反平行磁化状态时电阻的百分比增量来测量磁阻。TMR器件能够比GMR结构提供更高百分比的磁阻，因此，具有更强信号和更高速度的潜力。与好的GMR存储器元件中10～14％的磁阻相比，新近的结果表明隧道效应给出了超过40％的磁阻。

典型的MRAM器件包括排列成阵列的多个磁阻存储器元件10，例如磁隧道结(MTJ)元件，图1A和1B示出了其中的一个。图2示出了磁阻存储器元件10的阵列20。MTJ存储器元件10一般包括一个分层结构，这种结构包括定位或固定的(pinned)难磁化层11、自由层12和它们之间的电介质隔层13。磁性材料的固定层11具有总是指向同一方向的磁矢量。自由层12用于信息存储。自由层12的磁矢量是自由的，但是被限制在自由层12的易磁化轴之内，这个易磁化轴主要是由存储器元件10的物理尺寸决定的。自由层12的磁矢量指向两个方向之一：与固定层11的磁化强度方向平行或反平行，该磁化强度方向和所述易磁化轴一致。MRAM的基本原理是以磁化强度方向为基础，将信息作为二进制数据例如“0”和“1”来存储。这就是为什么磁数据是非易失性的，不会改变，直到受到外部磁场的影响。

向磁阻存储器元件10中存储或写入数据是通过施加磁场，从而导致自由层12中的磁性材料磁化成两种可能的存储态之一完成的。当MRAM元件10分层结构的两个磁性膜11、12被磁化为具有相同的取向(平行)时，数据是两个二进制数值中的一个，例如“0”，另外，如果MRAM元件10分层结构的两个磁性膜11、12被磁化为具有相反的取向(反平行)，那么这个数据是另一个二进制数值，例如“1”。这些磁场是通过使电流流过在这些磁结构外部的电流线(字线14、14a、14b、14c和位线15、15a、15b、15c)而产生的。要注意，两个磁场分量是用来区分选中的存储器元件10s和其它未被选中的存储器元件10的。

数据的读出是在施加磁场时，通过感测磁存储器元件10中的电阻变化来实现的。利用分层结构11、12、13的电阻随着取向是否平行而改变这一事实，该系统能够区分数据的两个二进制值，例如“0”或者“1”。用于读出所必需的磁场是通过使电流流过在这些磁结构外部的电流线(字线)，或者流过这些磁结构本身(通过位线15和感测线16)而产生的。对选中存储器元件10s的读出是通过一个连接到过孔21的串联晶体管17，以避免寄生电流流过其它存储器元件10实现的。

最常见的MRAM设计是1T1MTJ(每1个MTJ存储器元件10配1个晶体管17)类型的，如图1A和1B所示。包括多个存储器元件10的存储器阵列20包括正交的位线15a、15b、15c和字线14a、14b、14c，位线和字线分别在磁隧道结(MTJ)存储器元件10的上、下各自构图成两个金属层。位线15a、15b、15c与存储器元件10的难磁化轴平行，在易磁化轴方向产生磁场，而字线14a、14b、14c则在难磁化轴方向产生磁场。在某些设计中这种关系可以相反，即位线15可以产生难磁化轴磁场，而字线14可以产生易磁化轴磁场。对选中存储器元件10s的写入是通过同时施加电流脉冲通过相应位线15b和字线14a来完成的，这些位线和字线在这个选中存储器元件10s处交叉。得到的场的方向与存储器元件10s的自由层12的易磁化轴成45°角。在这个角度上，自由层12的切换场最小，因而可以用最小的电流完成写入。

MRAM元件10的切换曲线可以用它的所谓星形曲线30、31来表示，如图3所示。星形曲线30、31清楚地区分开了不同时间段的切换和非切换事件。在MRAM阵列中，存储器元件之间的统计变化，例如尺寸的变化，会导致磁切换场的统计变化，从而导致星形曲线确切尺寸的统计变化。星形曲线30是说明未被选中存储器元件10的10年稳定性的曲线，星形曲线31是说明选中的存储器元件10s的10纳秒脉冲写入操作所需磁场的曲线。换句话说，如果在星形曲线30、31内施加磁场，元件不会切换，保持它们的状态分别达10年、10纳秒，而如果先前的状态与当前状态相反，那么超出这些星形线的场就会在对应的时间帧中切换元件。因此只有在两个磁场分量都存在的情况下，选中的存储器元件10s的位状态才能够切换，而不改变未被选中的存储器元件10。

如果电流线14、15产生的磁场幅度相同，那么所得磁场的方向相对于选中存储器元件10s的自由层12的易磁化轴EA成45°角。在这个角度上，自由层12的切换场是最小的，如图3中星形曲线30、31所示，因而可以用最小的电流完成写入。

一方面，被选中位线15b和字线14a中的电流必须以这样的方式选择，使得在与易磁化轴EA成45°的角度上，总磁场足以超出所选存储器元件10s的切换场，或者换句话说，所得场矢量32的末端在这个方向的星形曲线31之上或之外(见图3)。另一方面，为了防止不希望的重写，由所选位线15b产生的磁场的幅度必须明显地小于位于同一位线15b上的任何一个存储器元件10的易磁化轴方向EA上的切换场。同样，为了防止不希望的重写，由所选字线14a产生的磁场的幅度必须明显地小于位于同一字线14a上的任何一个存储器元件10的难磁化轴方向HA上的切换场。换句话说，为了所选字线之一上其它元件稳定，两个分量必须都在星形曲线30以内。

图3还示出了不考虑存储器元件之间统计变化的情况下稳定的片上写入场窗口33，也就是说，如果先前的状态是相反的，并且通过在所选位线上施加第一个电流和在所选字线上施加第二个电流所得到的磁场矢量落在这样的片上写入场窗口33之内，就可以切换所选存储器元件10s的磁化状态，但是所选字线或位线之一上未被选中的存储器元件10不会切换状态。

有意或无意地暴露在强磁场下会使得MRAM元件容易受损是它们的缺点。很高密度的MRAM阵列20对磁场特别敏感，主要是因为极小的MRAM元件10只需要相对弱的磁场进行读出/编程操作，这些读出/编程操作要依靠自由层12中磁矢量的切换或感测。这些磁矢量则容易因为这种外部磁场而受到影响，并改变它们的磁取向。

在编程操作期间如果存在一个额外的外部磁场，这会引起未选中磁阻存储器元件10不需要的切换，因为流过电流线的电流的磁场与外部磁场的合成磁场，本身就可能大到足以切换未选中存储器元件10的状态。此外，作为在外部磁场中写入窗口移动所产生的结果，也会导致编程操作对选中存储器元件10s没有进行切换。举一个简单的实例，如果沿着易磁化轴存在一个只有10奥斯特的小的外部磁场分量，那么“零外部磁场基准”(在这个实例中沿着易磁化轴)相对于原点就移动了10奥斯特。在一个更一般的实例中，因为它与2-D场矢量的矢量相加，任何平面外部磁场都会导致星形曲线从原点移动。这意味着电流流过电流线产生的磁场这时可以大到足以不需要地切换未选中的存储器元件10，而在没有外部磁场存在时这是不可能发生的。反过来，如果外部磁场具有不同的方向，磁场也可能太小以致不能切换选中的存储器元件10s，而在没有这个外部磁场时这是不可能发生的。

一种解决方案是将存储器元件与外部磁场屏蔽开。但是，屏蔽也有其局限性，总是可以施加更强的磁场，这个磁场会在数据层附近产生外部磁场。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种方法和器件，用于防止在存在外部磁场期间对磁阻存储器元件的错误编程。

上述目的是通过本发明的方法和器件来实现的。

本发明提供一种磁阻存储器元件阵列，包括用于测量所述磁阻存储器元件附近外部磁场的磁场传感器单元，以及当测量到的外部磁场超过门限值时，用于临时禁止任何编程操作的装置。

这个磁场传感器单元可以包括一个或多个磁场传感器。该磁场传感器单元可以用来产生表示测量到的外部磁场的输出信号。该磁场传感器单元可以是数字或模拟的传感器单元。该磁场传感器单元可以是与所述磁阻存储器元件具有相同结构的元件。但是，该磁场传感器单元可以比所述磁阻存储器元件对磁场更敏感。

本发明的所述阵列还可以包括用于驱动所述阵列的存储器元件的驱动电路。

本发明的所述阵列还包括用于测量所述磁阻存储器元件附近温度的温度测量单元，其中用于临时禁止任何编程操作的所述装置用于在测量到的温度超出预置温度范围时禁止任何编程操作。

根据第二个方面，本发明提供一种电子器件，它包括本发明的磁阻存储器元件阵列。

根据第三个方面，本发明提供一种方法，用于在有外部磁场期间防止对磁阻存储器元件的错误编程。这个方法包括：

-测量所述磁存储器元件附近的所述外部磁场，以及

-如果测量到的外部磁场超过了门限值，临时禁止任何编程操作。

该方法还包括感测所述磁阻存储器元件周围的温度，如果测量到的温度超出预置温度范围，临时禁止任何编程操作。

通过以下详细说明，同时结合附图，本发明的上述和其它特征、功能和优点将显而易见，这些附图用举例的方法说明本发明的原理。这里的描述只是用作实例，并不是要限制本发明的范围。以下引用的标号涉及附图。

附图说明

图1A说明MRAM编程原理，图1B说明MRAM读出原理。

图2是已知1T1MTJ MRAM设计的透视图，这种设计包括多个存储器元件和正交的位线与字线。磁隧道结(MTJ)位于位线和字线的交叉区域。这些MTJ的底部电极用过孔连接到选择晶体管上，读取存储器元件时使用它们。

图3画出了一个星形曲线，示出了在MRAM中进行稳固编程操作，得到稳定写入场窗口的准则。

图4示出了本发明一个实施例中的一个反馈系统，这个系统具有敏感的磁场传感器，用于在MRAM编程期间允许/禁止编程操作。

在不同的图中，相同的标号涉及相同或类似的元件。

具体实施方式

现在结合具体实施例并参考特定的附图来描述本发明，但是本发明不受它们的限制，而是仅仅由权利要求来限定。这些附图仅仅是示意性的，而不是限制性的。在这些附图中，为了进行说明，可能把有些元件的尺寸放大了，没有按比例画出。在本说明书和权利要求中用到术语“包括”，它并不排除其它的元件或步骤。当涉及单数名词时所用的不定冠词或定冠词，例如“一”或“一个”，“这个”，也包括多个该名词，除非有其它具体说明。

另外，在本说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等等，是用来区别相似元件的，而不是描述次序或时间顺序。需要明白的是这样使用的这些术语在适当的情况下是可以互换的，在这里描述的本发明的实施例可以按其它次序工作，不只是按这里的描述或图示。

此外，在本说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上面、下面等等，只是用于描述，未必是描述相对位置。需要明白的是这样使用的这些术语在适当的情况下是可以互换的，这里描述的本发明的实施例可以按其它的方向工作，不只是按这里的描述或图示。

本发明提供一种方法和一种器件，用于防止在存在外部磁场期间对磁阻存储器元件的错误编程。

根据本发明，磁场传感器40或传感器单元是与MRAM阵列20一起提供的，或者添加到MRAM阵列20中，它的输出41用于触发装置42，用于测量到的外部磁场超过门限电压的时候临时禁止任何编程操作。

根据本发明的一个方面，提供磁场传感器40以测量存储器阵列20附近的磁场。这个磁场优选是存储器阵列20的局部、邻近或接近的磁场。磁场传感器40可以是模拟传感器或数字传感器。存储器阵列20附近的磁场可以直接或者间接地用各种方法测量。

磁场传感器40可以是任何类型的磁传感器，可以将它添加到包括磁阻存储器元件10的电路中，例如添加到MRAM IC中。优选将磁场传感器40集成到磁阻存储器阵列20中。磁场传感器40可以是例如霍尔传感器，霍尔传感器是感测磁场强度并产生随这个强度而改变的电压作为输出41的一种固态半导体传感器。

但是，在磁阻存储器阵列20包括MRAM元件10的情况下，在阵列20中使用与MRAM元件10具有相同叠层组成的磁隧道结作为磁场传感器40是有优势的。另外，也可以将MRAM元件10本身，或者不是用作存储器元件的其它MRAM元件，作为磁场传感器40，以监视局部的外部干扰磁场。

由于作为存储器传感器40的MRAM元件的双稳磁化结构，因此它们对弱磁场不是特别敏感。一旦它们明显地受到了场影响，产生能够感测到的输出信号，就存在包含数据的MRAM元件也已经受到该干扰场影响的风险。因此，希望采用对磁场强度的反应比存储器阵列20的MRAM元件10本身更灵敏的磁场传感器40。传感器40优选包括同MRAM元件中使用的一样的材料叠层。使传感器40对磁场更敏感的精细调整可以通过比如采用磁性元件的不同形状来实现。例如，更低的纵横比意味着器件更灵敏，或者使用不同取向的更大尺寸也意味着器件更灵敏。在本发明的一个实施例中，用作传感器的一个或多个MRAM元件相对于存储器阵列20中正常的MRAM元件10转动一个角度，比如90度，而通常由交换偏置(exchange biasing)决定的固定层11的磁化方向是相同的。在这个所谓的交叉的各向异性几何形状中，形状各向异性会引起自由层12的方向与固定层11的方向形成90度角，这是磁隧道结工作曲线上最敏感的点。

将传感器和MRAM芯片集成的不同方法都包括在本发明的范围内，以下描述一些实例：

(1)第一种方法是将传感器40集成在MRAM芯片上——单片集成。因此，传感器40会非常接近存储器阵列20，并且能够以某种方式包括在存储器阵列20本身里。也能将传感器40安装在芯片的一角上。

(2)第二种方法是一种混合方法。传感器40不再放在MRAM芯片本身上，或者相反在MRAM所在基底例如硅的一部分上，比如在更大的系统中的嵌入式MRAM(e-MRAM)，或者SoC(片上系统)。由于实现不同功能的高成本，特别是在传感器领域，有一种‘水平’集成或系统级封装(system-in-package)的趋势，其中不同的芯片合成在单独一个封装里。这里的建议是将两个芯片合成在单独一个封装里，也就是包括MRAM阵列20的第一芯片和上面有磁传感器40的第二芯片。

(3)另一种方法是简单地使用也是各自封装的两个不同芯片。这样做的一个原因可以是MRAM芯片要求高级别的屏蔽，而传感器40不需要这样一个事实。于是在MRAM芯片上需要一个或多个额外引脚以馈入传感器信号。

要注意，磁场传感器40或传感器单元优选提供MRAM阵列20附近磁场的2D表示。磁场传感器40和阵列之间的距离优选为使得MRAM阵列中存在的场得到测量。因为主要考虑的是远磁场，因此长度标尺是适度的。根据集成的程度，如上所述，可以使用不同的距离。在片上实现中，磁场传感器40优选尽可能接近MRAM阵列，或者在无屏蔽时到它的距离长达1cm。对于单个封装中的混合实现，距离是1cm的量级，对于不同的封装，优选将传感器和MRAM紧靠在一起放置，比如一个接着一个，或者将传感器放在MRAM芯片的顶部。

在上述所有的集成类型中，将磁场传感器输出41用作局部外部磁场的直接信号表示。这个磁场传感器输出41是发送给临时禁止编程操作装置的信号，比如编程操作允许/禁止电路，如果测量到的外部场超过了门限值，比如5奥斯特或更强，这个电路就临时禁止任何编程操作。例如，当特定的门限场超过已知容限会导致错误的编程操作时，可以给禁止/允许标志置位。

对于弱磁场，可以决定不使用编程操作禁止功能，因为外部场是落在写入场允许极限之内的。对于现有技术的MRAM，几个奥斯特的场，例如3到5奥斯特的场，不会破坏MRAM编程操作，因此对于这些场不必禁止编程操作。

在本发明的一个实施例中，将磁场传感器输出41直接用作产生编程允许/禁止信号的编程操作允许/禁止电路的输入。

编程操作允许/禁止电路42读入磁场传感器单元的输出41(例如模拟信号——电压或电流)，这个磁场传感器单元可以包括一个或多个磁场传感器40。举例来说，可以用两个传感器或传感器桥来分别测量两个场分量。然后由编程操作允许/禁止电路42将磁场传感器输出41转换或匹配成要求的允许/禁止控制信号44，送给驱动电路43。

在本发明的一个实施例中，可以从有效的二维磁场角度分析磁场传感器单元40的模拟输出信号41，其中的磁场传感器单元40测量沿易磁化轴和难磁化轴方向的两个磁场分量，在电路42中的门限检测时产生一个允许/禁止控制信号44，用于临时禁止编程操作。例如，可以分别对两个分量的信号进行门限检测，也可以对两个信号的总和进行门限检测，从而能够在电路42中检测在磁场的二维平面中零磁场原点周围场的特定区域。可以利用可编程电压基准来设置门限检测，该门限取决于MRAM芯片所在应用或最终环境。事实上，门限编程可以作为MRAM芯片初始测试程序的一部分。允许/禁止控制信号44设置一个标志，这个标志可以是MRAM存储器的内置自检(BIST)或编程控制器的一部分。在存储器单元的编程循环开始之前，可以先完成磁场测量和分析，这样可以产生允许/禁止控制信号44，或者设置允许/禁止标志。根据这个标志，可以在存储器元件10上执行或不执行编程操作。

当编程操作被禁止时，可以开始进行救援(rescue)或差错信号处理，例如将进入数据保存在缓冲区或其它(易失性)存储器中，否则这些数据会丢失，或者可以发送速率控制信号，以便例如停止源信号的发送。一旦编程操作被禁止，就可以按有规律的时间间隔进行磁场测量，从而能够在BIST或编程控制器中改变允许/禁止标志。一旦磁场传感器40再也感测不到外部场，就可以清除禁止/允许标志，从而允许存储器阵列20的驱动电路43驱动存储器阵列20再次进行编程操作。临时保存在缓冲区或其它存储器中的数据可以写入MRAM存储器元件10，在这以后可以恢复正常的编程操作。

在另一个替换实施例中，磁场测量可以按有规律的时间间隔，在任何时候进行。换句话说，不再只有当编程循环开始时才激活磁场测量，这使得MRAM控制系统更加灵活。

在另一个实施例中，给定磁场传感器40可以包括会影响其输出的温度补偿这样一个事实，可以为一个特定的温度范围或者磁场和温度的组合设置允许/禁止控制信号44。可以将在这种情况下能够获得的温度信号用来为正确的MRAM编程操作的一个特定温度范围设置标志。结果，可以将温度和磁场的组合效果考虑在内，用于防止对磁阻存储器元件的错误编程。

禁止/允许功能具有对于各种各样的MRAM应用是一种经济的解决方案这样一个优点。如果完全需要，可以放松对MRAM芯片的屏蔽要求。

应该明白，尽管在这里针对本发明的器件描述了优选实施例、具体结构和配置以及材料，但是在不背离本发明的范围和精神的基础上，可以对形式和细节进行各种改变和修改。

Claims (11)

1.一种磁阻存储器元件(10)阵列(20)，包括：

-用于测量所述磁阻存储器元件(10)附近外部磁场的磁场传感器单元(40)，以及

-当测量到的外部磁场超过门限值时，用于临时禁止任何编程操作的装置(42)。

2.如权利要求1所述的阵列(20)，其中所述磁场传感器单元包括多个磁场传感器(40)。

3.如权利要求1所述的阵列(20)，其中所述磁场传感器单元(40)用于产生表示测量到的所述外部磁场的输出信号(41)。

4.如权利要求1所述的阵列(20)，其中所述磁场传感器单元(40)是模拟传感器单元。

5.如权利要求1所述的阵列(20)，其中所述磁场传感器单元(40)是与所述磁阻存储器元件(10)具有相同结构的元件。

6.如权利要求5所述的阵列(20)，其中所述磁场传感器单元(40)比所述磁阻存储器元件(10)对磁场更敏感。

7.如权利要求1所述的阵列(20)，还包括用于驱动所述阵列(20)的存储器元件(10)的驱动电路(43)。

8.如权利要求1所述的阵列(20)，还包括用于测量所述磁阻存储器元件(10)附近温度的温度测量单元，其中用于临时禁止任何编程操作的所述装置(42)用于在测量到的温度超出预置温度范围时禁止任何编程操作。

9.一种电子器件，包括如权利要求1所述的阵列(20)。

10.在存在外部磁场期间用于防止磁阻存储器元件(10)错误编程的方法，该方法包括：

-测量所述磁阻存储器元件(10)附近的所述外部磁场，以及

-如果测量到的外部磁场超过了门限值，临时禁止任何编程操作。

11.如权利要求10所述的方法，还包括感测所述磁阻存储器元件周围的温度，如果测量到的温度超出预置温度范围，临时禁止任何编程操作。