TWI536378B - 用於三元內容可定址記憶體應用之具有雙接面的磁性隨機存取記憶體單元 - Google Patents
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Description
本發明係關於一欲用作為三元內容可定址記憶體之具有雙磁性穿隧接面的磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元。
TCAM(三元內容可定址記憶體)為廣泛用於網際網路之一重要類別的記憶體裝置。這些元件作用於匹配輸入資料與已儲存的位址資料。這類元件之一個特徵在於其需要儲存3種不同狀態-1、0及「無關(don’t care)」。這一類裝置的常態實施方式需要非常大量的電晶體來致能這類功能，而這導致了極大的晶粒尺寸。
一靜態隨機存取記憶體(SRAM)TCAM單元的典型實施方式係由包含兩個SRAM單元之結合十到十二個電晶體的三元儲存器組成。其亦具有比較邏輯，基本上為使用四個額外通路電晶體的XNOR閘。因此是具有十四至十六個電晶體之非常大的單元尺寸，也因此是昂貴的裝置。習用的TCAM單元常設置為具有四或多個電晶體之兩個標準SRAM單元，電晶體係設計為實現互斥或(EOR)的功能。
不同於具有簡單儲存單元的RAM晶片，在全平行TCAM中的每一個別記憶體位元具有自己的相聯比較電路，以偵測儲存的資料位元與輸入的資料位元間的匹配。TCAM晶片因而在儲存容量上相當程度地小於正規的記憶體晶片。此外，可結合來自資料字元中之每一單
元的匹配輸出，以得到完整的資料字元匹配訊號。相聯的額外電路進一步增加TCAM晶片的實體尺寸。此外，實際上現今所製作的CAM及TCAM(使用SRAM元件)本質上為依電性，意指當電源關閉時，資料便會喪失。結果，在每一時脈循環都需要使每一比較電路活化，而導致大功率消耗。由於大價格標籤、高功率及本質依電性，TCAM僅用於無法使用較低廉的方法實現搜尋速度的特殊化應用。
逐漸開展的記憶體技術與高速查找密集應用要求具有大的字尺寸之三元內容可定址記憶體，其由於大的單元電容而承受較低的搜尋速度。
本揭示內容係關於一磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元，其包括一軟鐵磁層，其具有一可自由對準的磁化量；一第一硬鐵磁層，其具有一第一儲存磁化量；一第一穿隧阻障層，其包含在該軟鐵磁層與該第一硬鐵磁層之間；一第二硬鐵磁層，其具有一第二儲存磁化量；及一第二穿隧阻障層，其包含在該軟鐵磁層與該第二硬鐵磁層之間；其中該第一儲存磁化量可在一第一預定高溫閾值自由定向，且該第二儲存磁化量可在一第二預定高溫閾值自由定向；該第一預定高溫閾值高於該第二預定高溫閾值。
在一實施例中，該磁性元件可進一步包括一第一反鐵磁層，其使該第一儲存磁化量固定為低於該第一預定
高溫閾值；及一第二反鐵磁層，其使該第二儲存磁化量固定為低於該第二預定高溫閾值。
在另一實施例中，該第一硬鐵磁層可具有一第一接面電阻-面積乘積，且該第二硬鐵磁層可具有一實質上與該第一接面電阻-面積乘積相等的第二接面電阻-面積乘積。
本揭示內容亦關於一用於寫入至該MRAM單元的方法，該方法包含：將該磁性元件加熱至一高於該第一預定高溫閾值的溫度；在一第一方向施加一寫入磁場，以便根據該寫入磁場對準該第一儲存磁化量及該第二儲存磁化量。
在一實施例中，該寫入磁場可在一第一方向施加，以用於儲存一第一資料，或在一第二方向施加，以用於儲存一第二資料。
在另一實施例中，該方法可進一步包含冷卻該磁性元件(2)，使之低於該第二預定高溫閾值。
在尚有另一實施例中，該方法可進一步包含：將該磁性元件冷卻至一包含在低於該第一預定高溫閾值及高於該第二預定高溫閾值之內的中間溫度；在一與該第一方向相反的第二方向施加該寫入磁場，以便根據該寫入磁場在該第二方向對準該第二儲存磁化量，以用於儲存一第三資料；及將該磁性元件冷卻至低於該第二預定高溫閾值。
亦揭示一用於讀取該MRAM單元的方法，該方法包含：以該儲存資料測量該磁性元件之一初始電阻值；將一第一搜尋資料提供給該感測層，並測定該第一搜尋資料及該儲存資料間的匹配；及將一第二搜尋資料提供給該感測層，並測定該第二搜尋資料及該儲存資料間的匹配。
此處所揭示的該MRAM單元可用作一三元內容可定址記憶體。該MRAM單元可儲存三個不同的狀態位準「1」、「0」及「X」(無關)，並可用作一匹配裝置，從而允許實行為具有劇減的單元尺寸與成本的TCAM單元。
在第1圖所繪示之一實施例中，磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元1包括由一雙磁性穿隧接面所形成的磁性元件2，其包括具有第一接面電阻一面積乘積RA1的第一穿隧阻障層22及第一硬鐵磁層或具有第一儲存磁化量230的第一儲存層23。磁性元件2進一步包括具有第二接面電阻一面積乘積RA2的第二穿隧阻障層24及第二硬鐵磁層或具有第二儲存磁化量250的第二儲存層25。軟鐵磁層或具有可自由對準之感測磁化量210的感測層21係包含在第一及第二穿隧阻障層22、24之間。
在第1圖的範例中，磁性元件2進一步包括第一反鐵磁層20及第二反鐵磁層26。第一反鐵磁層20適於交換耦合第一儲存層23，以致第一儲存磁化量230可在第一預定高溫閾值Tw1自由定向，並固定為低於此溫度。第二
反鐵磁層26適於交換耦合第二儲存層25，以致第二儲存磁化量250可在第二高溫閾值Tw2自由定向，並固定為低於此溫度。在一實施例中，第一預定高溫閾值Tw1大於第二預定高溫閾值Tw2。
在一說明性的範例中，第一儲存層23可以NiFe/CoFeB系的合金製成，且第一反鐵磁層20可以IrMn系的合金製成。第二儲存層25可以CoFeB/NiFe系的合金製成，且第二反鐵磁層26可以FeMn系的合金製成。感測層21較佳的是以CoFeB系的合金製成。
在一實施例中，第一接面電阻-面積乘積RA1實質上等於第二接面電阻-面積乘積RA2。第一穿隧阻障層22、第一儲存層23及感測層21的第一穿隧磁致電阻TMR1接著將實質上與第二穿隧阻障層24、第二儲存層25及感測層21的第二穿隧磁致電阻TMR2相同。第一及第二穿隧阻障層22、24較佳的是以MgO製成，其中第一及第二接面電阻-面積乘積RA1、RA2兩者實質上均等於20 ohm μm2。
MRAM單元1可進一步包括一電流線(未繪示)，其係與磁性元件2的一端電通訊；及一選擇電晶體(亦未繪示)，其係與磁性元件2的另一端電通訊。
在一實施例中，使用熱輔助寫入操作進行MRAM單元1的寫入。更具體地，將一第一寫入資料提供給MRAM單元1包含以下步驟：將磁性元件2加熱至一高於第一預定高溫閾值Tw1的溫度或以該溫度加熱磁性元件2，以便使第一及第二
儲存磁化量230、250自由；在一第一方向施加一寫入磁場，以便根據該寫入磁場在該第一方向對準第一儲存磁化量230及第二儲存磁化量250兩者；及將磁性元件2冷卻至一低於第二預定高溫閾值Tw2的溫度，以致第一及第二儲存磁化量230、250分別藉由第一及第二反鐵磁層20、26固定在寫入狀態。
在冷卻之後以及缺乏寫入磁場的情況下，感測層21處於平衡狀態，且其感測磁化量210定向為反向平行於第一及第二儲存磁化量230、250。第一儲存資料「0」因此相當於具有一第一狀態位準的磁性元件2。第一儲存磁化量230、第二儲存磁化量250及感測磁化量210的定向繪示於第2a至2c圖。在第2a至2c圖中，並未繪示第一及第二反鐵磁層20、26。更具體地，第2a圖繪示針對第一儲存資料「0」之儲存磁化量230、250及感測磁化量210的定向。
在另一實施例中，可藉由執行上述的加熱步驟來將一第二寫入資料提供給磁性元件1。接著在一與第一方向相反的第二方向施加寫入磁場，以便在第二方向對準第一儲存磁化量230及第二儲存磁化量250兩者。在冷卻至一低於第二預定高溫閾值Tw2的溫度之後且在缺乏寫入磁場(平衡)的情況下，感測磁化量210係定向為反向平行於第一及第二儲存磁化量230、250。第二儲存資料「1」因此相當於具有一第二狀態位準的磁性元件2(參見第2b圖)。
在另一實施例中，藉由下列步驟來執行提供一第三寫入資料：將磁性元件2加熱至一高於第一預定高溫閾值Tw1的溫度或以該溫度加熱磁性元件2，以便使第一及第二儲存磁化量230、250自由；在第一方向施加寫入磁場，以便根據寫入磁場在第一方向對準第一儲存磁化量230及第二儲存磁化量250兩者；及將磁性元件2冷卻至一包含在低於第一預定高溫閾值Tw1及高於第二預定高溫閾值Tw2之內的中間溫度或以該溫度冷卻磁性元件2，以便使第一儲存磁化量230藉由第一反鐵磁層20來固定，以致第二儲存磁化量250可自由定向；在第二方向施加寫入磁場，以便根據寫入磁場在第二方向對準第二儲存磁化量250；及將磁性元件2冷卻至一低於第二預定高溫閾值Tw2的溫度，以致第一及第二儲存磁化量230、250分別藉由第一及第二反鐵磁層20、26固定在寫入狀態。
在此之後的配置中，感測磁化量210可在第一或第二方向的任一者定向，亦即，平行或反向平行於第一及第二儲存磁化量230、250。第三儲存資料「X」因此相當於具有一第三中間狀態位準的磁性元件2(參見第2c圖)。
加熱磁性元件2可藉由使一加熱電流(未顯示)經由電流線通過磁性元件2來執行。將磁性元件2冷卻至中
間溫度閾值因而可藉由降低加熱電流的強度來執行，而將磁性元件2冷卻至低溫閾值可藉由阻絕加熱電流來達成。施加寫入磁場可藉由使一場電流(未顯示)通過電流線來執行。
根據一實施例，經寫入之MRAM單元1之一讀取操作包含以下步驟：以儲存資料測量磁性元件2的初始電阻值Ro；將第一搜尋資料「0」提供給感測層21，並測定第一搜尋資料及儲存資料間的匹配；及將第二搜尋資料「1」提供給感測層21，並測定第二搜尋資料及儲存資料間的匹配。
測量初始電阻Ro係藉由在缺乏外部磁場(零場)的情況，使一讀取電流通過磁性元件2來執行。提供第一及第二搜尋資料「0」、「1」包含分別在一第一及第二方向施加讀取磁場，以便根據讀取磁場的方向來定向感測磁化量210。測定第一及第二搜尋資料與儲存資料之間的匹配包含當分別在第一及第二方向施加磁場時，藉由使讀取電流通過磁性元件2來測量第一讀取電阻R1及第二讀取電阻R2。
此處所揭示的讀取操作為一基於自我參考的讀取操作，其意指磁性元件2的電阻係針對第一及第二搜尋資料「0」、「1」進行測量(第一及第二讀取電阻)，且不需要使用參考單元。這類基於自我參考的讀取操作亦已在由本申請人提出之歐洲專利申請案第EP2276034號中揭示。此外，此處所揭示的讀取操作包含測定第一及第二
搜尋資料與儲存資料間的匹配，而不像在習用的讀取操作中僅簡單地讀取儲存值「0」或「1」。
在第一儲存資料「0」的情況下，初始電阻Ro具有藉由歸因於感測磁化量210與第一儲存磁化量230之反向平行定向的第一高電阻(Rmax1)及歸因於感測磁化量210與第二儲存磁化量250之反向平行定向的第二高電阻(Rmax2)所測定的高值(Rmax1+Rmax2)(參見表I)。提供第一搜尋資料「0」將感測磁化量210定向為與第一及第二儲存磁化量230、250反向平行，且第一讀取電阻R1的測量值高(Rmax1+Rmax2)。提供第二搜尋資料「1」將感測磁化量210定向為與第一及第二儲存磁化量230、250平行，且第二讀取電阻R2的測量值低(Rmin1+Rmin2)，其中Rmin1為歸因於感測磁化量210與第一儲存磁化量230之平行定向的第一低電阻，且Rmin2為歸因於感測磁化量210與第二儲存磁化量230之平行定向的第二低電阻。此處，介於R2和R1間的差相當於△R=(Rmax1+Rmax2)-(Rmin1+Rmin2)。
在第二儲存資料「1」的情況下，初始電阻Ro具有高值(Rmax1+Rmax2)。提供第一搜尋資料「0」將感測磁化量210定向為與第一及第二儲存磁化量230、250平行，且第一讀取電阻R1的測量值低(Rmin1+Rmin2)。提供第二搜尋資料「1」將感測磁化量210定向為與第一及第二儲存磁化量230、250反向平行，且第二讀取電阻R2的測量值高(Rmax1+Rmax2)。
在第三儲存資料「X」的情況下，初始電阻Ro具有中間值(Rmin1+Rmax2)。提供第一搜尋資料「0」將感測磁化量210定向為與第一儲存磁化量230平行且與第二儲存磁化量250反向平行。提供第二搜尋資料「1」將感測磁化量210定向為與第一儲存磁化量230反向平行且與第二儲存磁化量250平行。針對第一及第二讀取電阻R1、R2兩者的測量值相當於中間值(Rmin1+Rmax2)。由於輸出(讀取電阻)對輸入狀態(搜尋資料)的不敏感，針對兩搜尋資料「0」和「1」之第一及第二讀取電阻R1、R2的相同值相當於MRAM單元1的「無關」狀態位準。表1記錄針對初始電阻Ro及第一和第二讀取電阻R1、R2進行測量的不同電阻值。
此處所揭示的MRAM單元1因而可用作一三元內容可定址記憶體。MRAM單元1可儲存三個不同的狀態位準「1」、「0」及「X」(無關)，並可用作一匹配裝置，從而允許實行為具有劇減的單元尺寸與成本的TCAM單
元。表2記錄第一及第二搜尋資料與儲存資料間的匹配。更具體地，測定匹配進一步包含比較所測量的第一及第二讀取電阻(R1、R2)與初始電阻值(Ro)。匹配相當於在初始電阻值Ro以及第一和第二讀取電阻值R1、R2間無變化。
MRAM單元1之一額外優點在於，在寫入操作期間，第一及第二穿隧阻障層22、24兩者有助於以第一及第二預定高溫閾值Tw1、Tw2加熱磁性元件2。因此，與包括單一穿隧阻障層之習用的磁性穿隧接面所需的功率相比，在為了加熱磁性元件2而使加熱電流通過時所需的功率可減少至原來的約2。此導致寫入操作期間MRAM單元1對電壓循環之增強的續航力。
此外，此處所揭示的MRAM單元1允許進行「無關」搜尋資料的比較。此可藉由零場的第二讀取來處理。此無疑導致電阻無變化，且因此在不考慮寫入狀態(搜尋資料「X」)的情況下得出匹配的結果。
1‧‧‧MRAM單元
2‧‧‧磁性元件
20‧‧‧第一反鐵磁層
21‧‧‧感測層
22‧‧‧第一穿隧阻障層
23‧‧‧第一儲存層
24‧‧‧第二穿隧阻障
25‧‧‧第二儲存層
26‧‧‧第二反鐵磁層
210‧‧‧感測磁化量
230‧‧‧第一儲存磁化量
250‧‧‧第二儲存磁化量
△R‧‧‧R1與R2之間的差
RA1‧‧‧第一接面電阻-面積乘積
RA2‧‧‧第二接面電阻-面積乘積
Rmax1‧‧‧第一高電阻值
Rmax2‧‧‧第二高電阻值
Rmin1‧‧‧第一低電阻值
Rmin2‧‧‧第二低電阻值
Ro‧‧‧初始電阻
R1‧‧‧第一讀取電阻
R2‧‧‧第二讀取電阻
TMR1‧‧‧第一穿隧磁致電阻
TMR2‧‧‧第二穿隧磁致電阻
Tw1‧‧‧第一預定高溫閾值
Tw2‧‧‧第二預定高溫閾值
在經由範例給定並藉由圖式繪示之一實施例的敘述輔助下，將更佳地了解本發明，其中：第1圖顯示根據一實施例之一磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元的圖，其包括一第一儲存層、一第二儲存層及一感測層；及第2a至2c圖繪示第一和第二儲存層以及感測層之磁化量的定向。
1‧‧‧MRAM單元
2‧‧‧磁性元件
20‧‧‧第一反鐵磁層
21‧‧‧感測層
22‧‧‧第一穿隧阻障層
23‧‧‧第一儲存層
24‧‧‧第二穿隧阻障層
25‧‧‧第二儲存層
26‧‧‧第二反鐵磁層
210‧‧‧感測磁化量
230‧‧‧第一儲存磁化量
250‧‧‧第二儲存磁化量
Claims (15)
- 一種磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元，其欲用作一三元內容可定址記憶體，且包括一磁性元件，該磁性元件包括一軟鐵磁層，其具有一可自由對準的磁化量；一第一硬鐵磁層，其具有一第一儲存磁化量；一第一穿隧阻障層，其包含在該軟鐵磁層與該第一硬鐵磁層之間；一第二硬鐵磁層，其具有一第二儲存磁化量；及一第二穿隧阻障層，其包含在該軟鐵磁層與該第二硬鐵磁層之間；該第一儲存磁化量可以一第一預定高溫閾值自由定向，且該第二儲存磁化量可以一第二預定高溫閾值自由定向；該第一預定高溫閾值高於該第二預定高溫閾值。
- 如申請專利範圍第1項所述之MRAM單元，其中該磁性元件進一步包括一第一反鐵磁層，其使該第一儲存磁化量固定為低於該第一預定高溫閾值；及一第二反鐵磁層，其使該第二儲存磁化量固定為低於該第二預定高溫閾值。
- 如申請專利範圍第1項所述之MRAM單元，其中該第一硬鐵磁層具有一第一接面電阻-面積乘積，且該第二硬鐵磁層具有一實質上與該第一接面電阻-面積乘積相等的第二接面電阻-面積乘積。
- 如申請專利範圍第1項所述之MRAM單元，其中該第一硬鐵磁層係以一NiFe/CoFeB系的合金製成，且該第二硬鐵磁層係以一CoFeB/NiFe系的合金製成。
- 如申請專利範圍第2項所述之MRAM單元，其中該第 一反鐵磁層係以一IrMn系的合金製成，且該第二反鐵磁層係以一FeMn系的合金製成。
- 如申請專利範圍第1項所述之MRAM單元，其中該軟鐵磁層較佳的是以一CoFeB系的合金製成。
- 一種用於寫入高達三個不同的寫入資料至包括一磁性元件之一MRAM單元的方法，該磁性元件包括一軟鐵磁層，其具有一可自由對準的磁化量；一第一硬鐵磁層，其具有一第一儲存磁化量；一第一穿隧阻障層，其包含在該軟鐵磁層與該第一硬鐵磁層之間；一第二硬鐵磁層，其具有一第二儲存磁化量；及一第二穿隧阻障層，其包含在該軟鐵磁層與該第二硬鐵磁層之間；該第一儲存磁化量可以一第一預定高溫閾值自由定向，且該第二儲存磁化量可以一第二預定高溫閾值自由定向；該第一預定高溫閾值高於該第二預定高溫閾值；該方法包含：將該磁性元件加熱至一高於該第一預定高溫閾值的溫度；及施加一寫入磁場，以便根據該寫入磁場對準該第一儲存磁化量及該第二儲存磁化量。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該寫入磁場係在一第一方向施加，以用於儲存一第一資料，或在一第二方向施加，以用於儲存一第二資料。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其進一步包含將該磁性元件冷卻至低於該第二預定高溫閾值。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該寫入磁場 係在一第一方向施加；且該方法進一步包含：將該磁性元件冷卻至一包含在低於該第一預定高溫閾值及高於該第二預定高溫閾值的中間溫度；在一與該第一方向相反的第二方向施加該寫入磁場，以便根據該寫入磁場在該第二方向對準該第二儲存磁化量，以用於儲存一第三資料；及將該磁性元件冷卻至低於該第二預定高溫閾值。
- 一種用於讀取一MRAM單元的方法，該MRAM單元具有包括一軟鐵磁層的一磁性元件，其具有一可自由對準的磁化量；一第一硬鐵磁層，其具有一第一儲存磁化量；一第一穿隧阻障層，其包含在該軟鐵磁層與該第一硬鐵磁層之間；一第二硬鐵磁層，其具有一第二儲存磁化量；及一第二穿隧阻障層，其包含在該軟鐵磁層與該第二硬鐵磁層之間；該第一儲存磁化量可以一第一預定高溫閾值自由定向，且該第二儲存磁化量可以一第二預定高溫閾值自由定向；該第一預定高溫閾值高於該第二預定高溫閾值；該方法包含：以一儲存資料測量該磁性元件之一初始電阻值；將一第一搜尋資料提供給一感測層，並測定該第一搜尋資料及該儲存資料間的匹配；及將一第二搜尋資料提供給該感測層，並測定該第二搜尋資料及該儲存資料間的匹配。
- 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中測量該初始電阻值包括在缺乏外部磁場的情況，使一讀取電流通過該磁性元件。
- 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中提供該第一搜尋資料包括在一第一方向施加一讀取磁場，且提供該第二搜尋資料包括在一第二方向施加該讀取磁場；以便分別在該第一及第二方向定向一感測磁化量。
- 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中測定該第一及第二搜尋資料與該儲存資料間的該匹配包括隨著該磁場分別在該第一及第二方向施加，藉由使該讀取電流通過該磁性元件來測量一第一讀取電阻及測量一第二讀取電阻。
- 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中測定該第一及第二搜尋資料與該儲存資料間的該匹配進一步包括將該測量到的第一及第二讀取電阻與該初始電阻值相比較。
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