TWI505268B - 用於旋轉力矩式記憶體裝置之讀取方向 - Google Patents

用於旋轉力矩式記憶體裝置之讀取方向 Download PDF

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Description

用於旋轉力矩式記憶體裝置之讀取方向
本發明大體而言係關於磁性隨機存取記憶體(MRAM)裝置，且更特定言之係關於用於旋轉力矩式記憶體裝置之讀取方向。
旋轉力矩磁性隨機存取記憶體(MRAM)裝置使用旋轉力矩式記憶體元件，旋轉力矩式記憶體元件(例如)包括磁性穿隧接面(MTJ)堆疊中之釘紮(pinned)層、穿隧障壁層及自由層。釘紮層之磁化固定在一方向上，以使得當電流通過MTJ元件時，自由層變得平行於或反向平行於釘紮層。MTJ元件之電阻取決於自由層及釘紮層之相對定向。當自由層平行於釘紮層時，MTJ元件處於低電阻狀態(例如，「0」記憶體狀態)中，且當自由層與釘紮層反向平行時，MTJ元件處於高電阻狀態(例如，「1」記憶體狀態)中。
在資料之讀取期間，少量電流流過MTJ元件，且比較該MTJ元件之電阻與經預寫之MTJ單元(亦即，參考單元)以判定所讀取之MTJ元件處於高電阻狀態或是低電阻狀態中。與旋轉力矩記憶體裝置相關聯的問題在於，讀取MTJ元件之動作可能會干擾資料。為了讀取MTJ元件之電阻，使電流通過MTJ元件且量測該MTJ元件上之電壓。此電流可能會意外地寫入該MTJ元件，引起「讀取」干擾。
在讀取操作期間，儘管可使用固定電壓來讀取，但在讀取操作期間在MTJ元件上之電壓在不同MTJ元件之間變化，因為讀取電壓被置於串聯之MTJ元件及電晶體上。MTJ元件之電阻及相應電晶體之電阻之波動可引起MTJ元件上之讀取電壓之波動。此外，MTJ元件上之此讀取電壓取決於MTJ元件在讀取操作期間處於高電阻狀態或是低電阻狀態中。
本發明之實施例提供旋轉力矩式記憶體裝置，及用於在旋轉力矩式記憶體裝置內執行讀取操作的方法，執行讀取操作係藉由在特定方向上驅動讀取電流通過記憶體裝置之磁性穿隧接面(MTJ)元件而完成，藉此防止讀取干擾之發生。該方向經定義為干擾MTJ元件以使其進入高電阻狀態之電流方向。
根據本發明之一實施例，提供一旋轉力矩式記憶體裝置。該記憶體裝置包括在一陣列中之複數個磁性儲存單元，每一磁性儲存單元包括至少一磁性穿隧接面(MTJ)元件；及對應於該複數個磁性儲存單元之至少一位元線及至少一位元補數線。每一各別MTJ元件係藉由在第一方向或第二方向上驅動寫入電流以將各別MTJ元件程式化於低電阻狀態或高電阻狀態中來寫入且每一各別MTJ元件係藉由在一方向上驅動讀取電流通過各別MTJ元件來讀取，該方向經定義為傾向於干擾各別MTJ元件以使其進入高電阻狀態之方向。
根據本發明之另一實施例，提供一種用於操作旋轉力矩式記憶體裝置之電腦實施方法，該旋轉力矩式記憶體裝置包括複數個磁性儲存單元，該複數個磁性儲存單元各自包括至少一磁性穿隧接面(MTJ)元件。該電腦實施方法包括：藉由在第一方向或第二方向上驅動寫入電流將各別MTJ元件程式化成低電阻狀態或高電阻狀態，及藉由在傾向於干擾各別MTJ元件以使其進入高電阻狀態之方向上驅動讀取電流通過各別MTJ元件來讀取各別MTJ元件。
根據本發明之另一實施例，亦提供一執行以上所提及方法之電腦程式產品。
經由本發明之技術實現額外特徵及優點。在本文中詳細描述本發明之其他實施例及態樣且將其視為所主張之本發明的一部分。為更好地理解具有該等優點及該等特徵之本發明，參考該描述及圖式。
在本說明書之結論處，在申請專利範圍中特別指出且明確主張被認為是本發明之標的物。自以下結合附圖進行的詳細描述，本發明之前述及其他特徵及優點係顯而易見的。
現參看圖1，提供根據本發明之實施例之記憶體裝置。記憶體裝置100為旋轉力矩式磁性隨機存取記憶體(MRAM)裝置。如圖1中所示，旋轉力矩式MRAM裝置100包括呈一陣列之複數個磁性儲存單元101。每一磁性儲存單元101包括至少一MTJ元件105。此外，裝置100包括對應於該複數個磁性儲存單元101之複數條位元線115及位元補數線120。
如圖1中進一步展示，每一MTJ元件105串聯連接至開關裝置(例如，電晶體110)。記憶體裝置100內亦提供有複數條字線125。字線125相對於位元線115傾斜地定向。取決於記憶體裝置100之架構，位元補數線120通常平行於或垂直於位元線115。如本發明之此實施例中所示，每一位元補數線120平行於每一位元線115。每一字線125對應於複數個磁性儲存單元101且允許電流流過該等磁性儲存單元101。另外，每一各別字線125耦接至電晶體110之閘極。MTJ元件105及電晶體110在位元線115與位元補數線120之間連接在一起。以下將參看圖2描述關於程式化及讀取MTJ元件105之細節。
圖2為可在本發明之實施例內實施之圖1中所示之記憶體裝置的MTJ元件及相應開關裝置之分解圖。根據本發明之實施例，每一MTJ元件105可如圖3中所示由釘紮層106、穿隧障壁層107及自由磁層108形成，但本發明不限於此且可相應地變化。
回頭參看圖2，在寫入或讀取操作期間，接通每一各別電晶體110以允許電流流過各別MTJ元件105，以使得可讀取或寫入邏輯狀態。亦即，電晶體110選擇MTJ元件105來讀取或寫入。
在寫入操作期間，MTJ元件105經組態以使用旋轉傳遞被寫入。因此，經旋轉極化之電子在MTJ元件105之自由磁層上施加一力矩，該力矩可切換自由磁層之極性。啟動位元線115及字線125，且在位元補數線120與位元線115之間驅動一寫入電流。在第一方向或第二方向上驅動該寫入電流通過MTJ元件105以將各別MTJ元件105程式化於低電阻狀態或高電阻狀態中。
在讀取操作期間，啟動位元線115及字線125。接著藉由各別字線125啟動電晶體110，且電晶體110允許電流流過各別MTJ元件105。根據本發明之實施例，在傾向於干擾各別MTJ元件以使其進入高電阻狀態之方向上驅動一讀取電流通過各別MTJ元件105。根據本發明之實施例，讀取電流小於在第一方向或第二方向上的寫入電流。此外，根據實施例，各別MTJ元件105上之讀取電壓在大約50毫伏(mV)至大約100 mV之範圍內。將讀取電流提供至位元線115。感測放大器(圖中未展示)比較讀取電流與流過參考單元(圖中未展示)之參考電流。感測放大器之輸出與介於參考電流與實際上流過MTJ元件105之電流之間的差成比例。感測放大器之輸出判定MTJ元件105之狀態。
如上文所提及，讀取干擾可在習知MTJ元件之讀取操作期間發生。本發明提供防止讀取干擾之發生的方式。現將在下文參看圖4描述關於讀取干擾之發生之額外細節。
圖4為說明MTJ元件上之電壓的各種分佈之曲線圖，該電壓包括與高電阻狀態之讀取電壓相比在低電阻狀態中之讀取電壓。圖4亦展示引起讀取干擾所需的電壓之分佈。此等為分佈，因為MTJ元件與電晶體兩者皆具有電阻分佈。
如圖4中所示，x軸表示MTJ元件上之電壓(VTJ )。在位元讀取操作期間，MTJ元件105上之電壓取決於MTJ元件105在讀取操作期間處於「0」記憶體狀態或是「1」記憶體狀態中。MTJ元件105之電阻在「1」記憶體狀態中高達約2倍且在「0」記憶體狀態中低達約二分之一。根據本發明之實施例，電晶體110之電阻可等於處於低電阻狀態中之MTJ元件105之電阻。舉例而言，電晶體110之電阻可為大約1000歐姆，且處於「0」記憶體狀態中之MTJ元件105之電阻可為大約1000歐姆而處於「1」記憶體狀態中之MTJ元件105之電阻可為大約2000歐姆。MTJ元件105上之讀取電壓VRead 因此在「0」記憶體狀態中與在「1」記憶體狀態中不同，以使得該讀取電壓VRead 在「1」記憶體狀態中比在「0」記憶體狀態中高。舉例而言，處於高電阻狀態中之MTJ元件105上之讀取電壓VRead 將為施加於MTJ元件105與電晶體110之串聯組合上之電路電壓之約2/3，而在低電阻狀態中，MTJ元件105上之讀取電壓VRead 將為所施加電路電壓之約。實線200表示低電阻狀態中之讀取電壓VRead 且虛線300表示處於高電阻狀態中之MTJ元件105之讀取電壓VRead 。
在讀取一位元且使電流通過MTJ元件105，該位元被意外地寫入時，讀取干擾發生。將會發生讀取干擾之各別MTJ元件105上之電壓VDisturb 由曲線(參考數字400)表示。讀取電壓VRead 可在不同MTJ元件105之間變化，因為複數個MTJ元件105之電阻可能不同且複數個電晶體110之電阻可能不同。若由實線200或虛線300表示之曲線與由400表示之曲線重疊，則位元被意外地寫入。然而，根據本發明之實施例，由於通過MTJ元件105之讀取電流之方向會干擾MTJ元件105以使其進入高電阻狀態，因此只要曲線200不與曲線400重疊，則即使曲線300與曲線400重疊，仍可防止讀取干擾。具體言之，此意謂用於讀取之較佳電流方向是使電流自釘紮層流動至自由磁層，亦即，使電子自該自由磁層流動至該釘紮層。
圖5為說明可在本發明之實施例內實施之在旋轉力矩式記憶體裝置內執行讀取操作之方法的流程圖。如圖5中所示，在操作500中，藉由在第一方向或第二方向上驅動寫入電流將各別MTJ元件程式化成低電阻狀態或高電阻狀態。接下來，在操作510中，藉由在傾向於干擾各別MTJ元件以使其進入高電阻狀態之方向上驅動讀取電流通過各別MTJ元件來讀取各別MTJ元件。
根據本發明之實施例，在讀取電流小於在第一方向或第二方向上的寫入電流。此外，各別MTJ元件上之讀取電壓在大約50毫伏(mV)至大約100 mV之範圍內。
本發明之實施例在傾向於干擾MTJ元件以使其進入高電阻狀態之方向上提供通過MTJ元件之讀取電流，藉此防止讀取干擾之發生。
本文中所使用之術語僅為達成描述特定實施例之目的且並不意欲限制本發明。除非本文另有明確指示，否則如本文中所使用之單數形式「一」及「該」意欲亦包括複數形式。應進一步理解，術語「包含」在用於本說明書中時規定所述特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但並不排除一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或添加。
以下申請專利範圍中之所有構件或步驟附加功能元件之相應結構、材料、動作及等效物意欲包括用於結合如具體主張之其他所主張元件而執行功能的任何結構、材料或動作。已為達成說明及描述之目的而呈現本發明之描述，但該描述並不意欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之形式。在不脫離本發明之範疇及精神的情況下，一般熟習此項技術者將顯而易見許多修改及變化。選擇並描述了實施例以便最佳地解釋本發明之原理及實際應用，且使其他一般熟習此項技術者能夠理解本發明之具有適合於所涵蓋之特定用途的各種修改之各種實施例。
本文中所描繪之流程圖僅為一實例。在不脫離本發明之精神的情況下，可存在對本文中所描述之此圖或此等步驟(或操作)之許多變化。舉例而言，可按不同次序執行該等步驟，或可添加、刪除或修改步驟。所有此等變化被視為所主張之本發明的一部分。
雖然已描述本發明之較佳實施例，但熟習此項技術者應理解，在現在及將來，可進行屬於以下申請專利範圍之範疇的各種改良及增強。此申請專利範圍應被理解為維持對首次描述之本發明的適當保護。
100．．．記憶體裝置
101．．．磁性儲存單元
105．．．MTJ元件
106．．．釘紮層
107．．．穿隧障壁層
108．．．自由磁層
110．．．電晶體
115．．．位元線
120．．．位元補數線
125．．．字線
圖1為說明可在本發明之實施例內實施之記憶體裝置之圖。
圖2為可在本發明之實施例內實施之圖1中所示之記憶體裝置的MTJ元件及相應開關裝置之分解圖。
圖3為說明可在本發明之實施例內實施之MTJ元件內之各層的實例之圖。
圖4為說明與高電阻狀態之讀取電壓及讀取干擾之讀取電壓相比在低電阻狀態中之讀取電壓之曲線圖。
圖5為說明可在本發明之實施例內實施之用於操作旋轉力矩式記憶體裝置之方法的流程圖。
100．．．記憶體裝置
101．．．磁性儲存單元
105．．．MTJ元件
110．．．電晶體
115．．．位元線
120．．．位元補數線
125．．．字線

Claims (18)

  1. 一種旋轉力矩式記憶體裝置，其包含：在一陣列中之複數個磁性儲存單元，每一磁性儲存單元包括至少一磁性穿隧接面(MTJ)元件；及對應於該複數個磁性儲存單元之至少一位元線及至少一位元補數線，其中每一各別MTJ元件係藉由在一第一方向或第二方向上驅動一寫入電流以將該各別MTJ元件程式化於一低電阻狀態或一高電阻狀態中來寫入，且每一各別MTJ元件係藉由在傾向於干擾該各別MTJ元件以使其進入該高電阻狀態之一方向上驅動一讀取電流通過該各別MTJ元件來讀取。
  2. 如請求項1之旋轉力矩式記憶體裝置，其中每一MTJ元件包含一自由磁層、一穿隧障壁層及一釘紮層，且用於讀取之一電流自該釘紮層流動至該自由磁層。
  3. 如請求項1之旋轉力矩式記憶體裝置，其中在該各別MTJ元件上之一讀取電壓在大約50毫伏(mV)至大約100 mV之範圍內。
  4. 如請求項1之旋轉力矩式記憶體裝置，其進一步包含：複數條字線，每一字線對應於一磁性儲存單元且允許電流流過該磁性儲存單元。
  5. 如請求項4之旋轉力矩式記憶體裝置，其中每一磁性儲存單元進一步包含：一開關裝置，其藉由一各別字線啟動以允許電流流過該各別MTJ元件。
  6. 如請求項5之旋轉力矩式記憶體裝置，其中該各別字線耦接至該開關裝置之一閘極。
  7. 一種用於操作一旋轉力矩式記憶體裝置之電腦實施方法，該旋轉力矩式記憶體裝置包括複數個磁性儲存單元，該複數個磁性儲存單元各自包括至少一磁性穿隧接面(MTJ)元件，該方法包含：藉由在一第一方向或第二方向上驅動一寫入電流將一各別MTJ元件程式化成一低電阻狀態或一高電阻狀態；及藉由在傾向於干擾該各別MTJ元件以使其進入該高電阻狀態之一方向上驅動一讀取電流通過該各別MTJ元件來讀取該各別MTJ元件。
  8. 如請求項7之電腦實施方法，其中每一MTJ元件包含一自由磁層、一穿隧障壁層及一釘紮層，且用於讀取之一電流自該釘紮層流動至該自由磁層。
  9. 如請求項7之電腦實施方法，其中在該各別MTJ元件上之一讀取電壓在大約50毫伏(mV)至大約100 mV之範圍內。
  10. 如請求項7之電腦實施方法，其進一步包含：經由對應於該磁性儲存單元之一字線允許電流流過該磁性儲存單元。
  11. 如請求項10之電腦實施方法，其進一步包含：經由一各別字線啟動與該各別MTJ元件串聯連接之一各別開關裝置以允許電流流過該各別MTJ元件。
  12. 如請求項11之電腦實施方法，其進一步包含：將該各別字線耦接至該開關裝置之一閘極。
  13. 一種包含一電腦可用媒體之電腦程式產品，該電腦可讀程式包括一電腦可讀程式，其中該電腦可讀程式在一電腦上被執行時使該電腦實施一種用於操作一旋轉力矩式記憶體裝置之方法，該旋轉力矩式記憶體裝置包括複數個磁性儲存單元，該複數個磁性儲存單元各自包括至少一磁性穿隧接面(MTJ)元件，該方法包含：藉由在一第一方向或第二方向上驅動一寫入電流將一各別MTJ元件程式化成一低電阻狀態或一高電阻狀態；及藉由在傾向於干擾該各別MTJ元件以使其進入該高電阻狀態之一方向上驅動一讀取電流通過該各別MTJ元件來讀取該各別MTJ元件。
  14. 如請求項13之電腦程式產品，其中每一MTJ元件包含一自由磁層、一穿隧障壁層及一釘紮層，且用於讀取之電流自該釘紮層流動至該自由磁層。
  15. 如請求項13之電腦程式產品，其中在該各別MTJ元件上之一讀取電壓在大約50毫伏(mV)至大約100 mV之範圍內。
  16. 如請求項13之電腦程式產品，其中該方法進一步包含：經由對應於該磁性儲存單元之一字線允許電流流過該磁性儲存單元。
  17. 如請求項16之電腦程式產品，其中該方法進一步包含：經由一各別字線啟動與該各別MTJ元件串聯連接之一各別開關裝置以允許電流流過該各別MTJ元件。
  18. 如請求項17之電腦程式產品，該方法進一步包含：將該各別字線耦接至該開關裝置之一閘極。
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