TWI755145B - 磁性儲存裝置 - Google Patents

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TWI755145B
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Abstract

根據一個實施例，一種磁性儲存裝置包括一非揮發性磁性記憶體，該非揮發性磁性記憶體包括能夠儲存資料之一磁阻效應元件。一磁性感測器經組態以量測一外部磁場之量值。一控制器經組態以當該外部磁場之該量測之量值小於一臨限值時以第一時間間隔偵測該資料中之錯誤，且當該外部磁場之該量測之量值等於或大於該臨限值時以短於該第一時間間隔之第二時間間隔偵測該資料中之錯誤。

Description

磁性儲存裝置
本文描述之實施例總體上係關於一種磁性儲存裝置及一種用於磁性儲存裝置之控制方法。
已知使用磁阻效應元件作為儲存元件之磁性儲存裝置，諸如磁阻隨機存取記憶體(MRAM)。
實施例提供了一種高度可靠之磁性儲存裝置。
一個實施例提供， 一種磁性儲存裝置，其包含： 非揮發性磁性記憶體，該非揮發性磁性記憶體包括磁阻效應元件； 磁性感測器，該磁性感測器經組態以量測外部磁場之量值；及 控制器，該控制器經組態以當該外部磁場之該量測之量值小於磁場臨限值時以第一時間間隔偵測該非揮發性磁性記憶體中之資料錯誤，且當該外部磁場之該量測之量值等於或大於該磁場臨限值時以短於該第一時間間隔之第二時間間隔偵測該非揮發性磁性記憶體中之資料錯誤。
此外，一個實施例提供， 一種磁性儲存裝置，其包含： 非揮發性磁性記憶體，該非揮發性磁性記憶體包括複數個記憶體單元，每個記憶體單元配備有磁阻效應元件； 磁性感測器，該磁性感測器經組態以量測外部磁場之量值；及 控制器，該控制器經組態以根據該外部磁場之該量測之量值來設定用於將資料寫入該複數個記憶體單元之參數。
此外，一個實施例提供， 一種磁性儲存裝置，其包含： 複數個記憶體單元，每個記憶體單元具有磁阻效應元件； 寫入電路，該寫入電路經組態以根據來自主機裝置之命令將資料寫入該複數個記憶體單元； 磁性感測器，該磁性感測器經組態以量測外部磁場之量值；及 控制器，該控制器經組態以根據該外部磁場之該量測之量值來控制該寫入電路以調整用於將資料寫入該複數個記憶體單元之參數。
實施例提供一種高度可靠之磁性儲存裝置及一種磁性儲存裝置之控制方法。
通常，根據一個實施例，磁性儲存裝置包括非揮發性磁性記憶體，該非揮發性磁性記憶體包括能夠儲存資料之磁阻效應元件。提供了一種經組態以量測外部(環境)磁場之量值之磁性感測器。控制器經組態以當外部磁場低於臨限值時以第一時間間隔偵測儲存在非揮發性磁性記憶體中之資料中之錯誤。控制器經組態以當由磁性感測器量測之外部磁場之量值等於或大於臨限值時以短於第一時間間隔之第二時間間隔偵測儲存在非揮發性磁性記憶體中之資料中之錯誤。
在下文中，將參考附圖描述本發明之磁性儲存裝置。通常，附圖為示意性的，且例如，厚度或平面尺寸、每層之厚度比等之間的任何所描繪之關係可與實際之不同。另外，在實施例中，基本上相同之元件由相同之附圖標記表示，且可省略對其之附加描述。 (1) 第一實施例
將參考圖1至圖7描述第一實施例之磁性儲存裝置1。 (1)-(a)磁性儲存裝置之組態實例
圖1為磁性儲存裝置1的方塊圖。磁性儲存裝置1包括記憶體控制器2、非揮發性磁性記憶體3及磁性感測器4。
記憶體控制器2具有其中主機介面(I/F) 20、中央處理單元(CPU) 21、錯誤檢查及校正(ECC)電路22、唯讀記憶體(ROM) 23、隨機存取記憶體(RAM) 24、讀寫控制單元25、記憶體介面(I/F) 26、磁性感測器介面(I/F) 27及擦洗控制單元28經由內部匯流排29互連之組態。
主機I/F 20執行記憶體控制器2與主機5之間的介接過程。主機I/F 20經由連接線6通信地連接至主機5。連接線6包括例如電源線、資料匯流排、命令線等。
CPU 21控制整個磁性儲存裝置1之操作。作為用於控制CPU 21之程式，使用儲存在ROM 23中之韌體等，或者可替代地，將儲存在ROM 23中之程式加載至RAM 24上以執行預定過程。CPU 21在RAM 24中創建各種表，自主機5接收寫入命令、讀取命令及擦除命令，且對非揮發性磁性記憶體3執行資料寫入處理、資料讀取處理及資料擦除處理。經由主機I/F 20及記憶體I/F 26執行向/自外部主機5之資料傳輸，諸如向非揮發性磁性記憶體3之資料寫入及自非揮發性磁性記憶體3之資料讀取。
ECC電路22為例如具有錯誤校正功能之編碼及解碼電路。ECC電路22利用諸如BCH(博斯喬赫裏霍克文黑姆，Bose Chaudhuri Hocquenghem)碼之類之錯誤校正碼對將要寫入非揮發性磁性記憶體3中之資料進行編碼。ECC電路22亦校正自非揮發性磁性記憶體3讀取之資料中之錯誤。
ROM 23儲存由CPU 21使用之韌體，諸如控制程式。RAM 24用作CPU 21之工作區域，且儲存控制程式及各種表。
讀寫控制單元25控制自記憶體單元陣列36讀取資料及向記憶體單元陣列36寫入資料。讀寫控制單元25基於命令及位址來控制字線驅動器33及位元線驅動器35。結果，自記憶體單元MC讀取或向記憶體單元MC寫入由位址指定之一或多個資料項。在以下描述中，命令亦可稱為指令或請求。
記憶體I/F 26經由連接線7通信地連接至非揮發性磁性記憶體3。連接線7包括例如電源線、資料匯流排、命令線等。記憶體I/F 26控制記憶體控制器2與非揮發性磁性記憶體3之間的信號傳輸。記憶體I/F 26將來自主機5之命令及位址及基於來自主機5之命令及位址之寫入資料提供給輸入及輸出電路30。自輸入及輸出電路30接收讀取資料。
磁性感測器I/F 27執行記憶體控制器2與磁性感測器4之間的介面。磁性感測器I/F 27經由連接線8通信地連接至磁性感測器4。連接線8包括例如電源線、資料匯流排、命令線等。
擦洗控制單元28控制擦洗過程。擦洗過程為對資料儲存區域定期執行錯誤偵測及校正以防止錯誤達到不可校正之水平(ECC允許極限)之過程。擦洗過程包括檢查及重寫儲存在記憶體單元MC中之資料。資料重寫僅在必要時執行。在以下描述中，擦洗過程可被稱為擦洗。
當自CPU 21接收到擦洗命令時，擦洗控制單元28對儲存在複數個記憶體單元MC中之資料執行擦洗過程。作為擦洗操作之目標之記憶體單元MC之位址範圍被稱為擦洗執行單元且具有預定大小。可例如基於被共同讀取為單元之記憶體單元MC來判定擦洗執行單元。可替代地，可基於記憶體單元MC在記憶體單元陣列36中之位置來判定擦洗執行單元。
接下來，將參考圖2描述非揮發性磁性記憶體3之組態。圖2為非揮發性磁性記憶體3的方塊圖。非揮發性磁性記憶體3包括輸入及輸出電路30、定序器31、列解碼器32、字線驅動器33、行解碼器34、位元線驅動器35、記憶體單元陣列36、寫入電路37、讀取電路38及開關電路39。
非揮發性磁性記憶體3為例如自旋轉移矩(STT)型磁阻隨機存取記憶體(MRAM)。在MRAM中，磁性穿隧接面(MTJ)元件可用作儲存元件之磁阻效應元件。
MTJ元件包括兩個磁性層及其間之非磁性層。第一磁性層之磁化或磁各向異性之方向通常保持不變。第二磁性層之磁化或磁各向異性之方向係可變的。當寫入電流自第一磁性層流向第二磁性層時，兩個磁性層之磁化方向變得平行。當兩個磁性層之磁化方向平行時，MTJ元件具有最小電阻值。當寫入電流自第二磁性層流向第一磁性層時，兩個磁性層之磁化方向變得反向平行。當兩個磁性層之磁化方向反向平行時，MTJ元件具有最大電阻值。將指示這兩個不同電阻值之狀態分配給二進位資料值。
非揮發性磁性記憶體3自記憶體控制器2接收命令CMD、位址ADR、輸入資料DIN(寫入資料)及各種控制信號CNT。非揮發性磁性記憶體3將輸出資料DOUT(讀取資料)傳輸至記憶體控制器2。非揮發性磁性記憶體3基於命令CMD、位址ADR及來自記憶體控制器2之各種控制信號CNT來執行寫入、讀取、擦洗過程等。非揮發性磁性記憶體3可包括例如能夠彼此獨立地操作之複數個記憶體晶片。
記憶體單元陣列36包括複數個記憶體單元MC。每個記憶體單元MC連接至複數條位元線BL及複數條字線WL。每個記憶體單元MC包括MTJ元件及單元電晶體。MTJ元件可根據磁阻效應而儲存資料。單元電晶體與MTJ元件串聯連接，且控制對MTJ元件之供電。
輸入及輸出電路30經由連接線7連接至記憶體控制器2之記憶體I/F 26。輸入及輸出電路30自記憶體控制器2接收資料DIN，且將接收到之資料DIN提供給寫入電路37。此外，輸入及輸出電路30自讀取電路38接收來自記憶體單元陣列36之記憶體單元MC之資料DOUT，且將該資料作為資料DOUT提供給記憶體控制器2。此外，輸入及輸出電路30自記憶體控制器2接收命令CMD及各種控制信號CNT，且將接收到之命令CMD及控制信號CNT提供給定序器31。輸入及輸出電路30亦自記憶體控制器2接收位址ADR，且將接收到之位址ADR提供給列解碼器32及行解碼器34。
各種信號CMD、CNT、ADR、DIN及DOUT可經由與非揮發性磁性記憶體3之晶片(封裝)分開設定之介面(I/F)電路被提供給非揮發性磁性記憶體3中之預定電路。
定序器31接收命令CMD及各種控制信號CNT。定序器31基於命令CMD及控制信號CNT來控制非揮發性磁性記憶體3中之各種電路中之每一者之操作。定序器31可根據非揮發性磁性記憶體3中之操作狀態將控制信號CNT傳輸至記憶體控制器2。例如，定序器31將與寫入操作及讀取操作之執行有關之各種資訊儲存為設定資訊。
列解碼器32對位址ADR中之列位址進行解碼。字線驅動器33基於列位址來選擇記憶體單元陣列36之列(例如，字線WL)。字線驅動器33可將預定電壓提供給字線WL。
行解碼器34對位址ADR中之行位址進行解碼。位元線驅動器35基於行位址來選擇記憶體單元陣列36之行(例如，位元線BL)。位元線驅動器35經由開關電路39連接至記憶體單元陣列36。位元線驅動器35可將預定電壓提供給位元線BL。
在寫入操作期間，寫入電路37基於位址ADR來提供用於將資料寫入選定之/定址之記憶體單元MC(選定單元)之各種電壓及/或電流。例如，資料DIN作為要被寫入記憶體單元陣列36中之資料被提供給寫入電路37。結果，寫入電路37將資料DIN寫入記憶體單元MC中。寫入電路37包括例如寫入驅動器或彙集器。
在讀取操作期間，讀取電路38提供用於自基於位址ADR選擇之記憶體單元MC讀取資料之各種電壓及/或電流。結果，可讀取儲存在記憶體單元MC中之資料。
讀取電路38將自記憶體單元陣列36讀取之資料作為輸出資料DOUT輸出至非揮發性磁性記憶體3之外部。讀取電路38包括例如讀取驅動器及感測放大器電路。
開關電路39將寫入電路37或讀取電路38中之一者連接至記憶體單元陣列36及位元線驅動器35。結果，非揮發性磁性記憶體3執行對應於命令CMD之操作。
接下來，返回至圖1，將描述磁性感測器4之組態。磁性感測器4偵測外部磁場H ex，並將外部磁場H ex之量測之量值傳輸至記憶體控制器2。這裏之外部磁場H ex為來自非揮發性磁性記憶體3周圍之外部環境之磁場。磁性感測器4具有其中感測器41、類比/數位轉換器(ADC) 42、操作單元43及控制器介面(I/F) 44經由內部匯流排45互連之組態。磁性感測器4經由連接線8通信地連接至記憶體控制器2。連接線8包括例如電源線、資料匯流排、命令線等。
感測器41例如為霍爾IC (積體電路)或MTJ元件。霍爾IC將根據磁通量密度之量值之電壓信號輸出至ADC 42。MTJ元件之電阻值根據外部磁場H ex之變化而變化(或者可替代地，在恆定電流下之電壓值亦為可接受的)。在磁性儲存裝置1之操作期間，將MTJ元件之電阻值之變化作為模擬信號提供給ADC 42。
ADC 42將由感測器41輸出之模擬信號轉換為數字信號，且將該數字信號提供給操作單元43。
操作單元43藉由使用由ADC 42輸出之數字信號執行預定計算來獲得外部磁場H ex之量值。
控制器I/F 44執行記憶體控制器2與磁性感測器4之間的介接過程。控制器I/F 44將由操作單元43獲得之外部磁場H ex之量值傳輸至記憶體控制器2。
主機5命令記憶體控制器2執行諸如非揮發性磁性記憶體3中之寫入及讀取之類之操作。主機5藉由連接線6通信地連接至記憶體控制器2。連接線6包括例如電源線、資料匯流排、命令線等。
圖3為擦洗控制單元28的方塊圖。擦洗控制單元28包括暫存器282、設定單元284、計時器286及擦洗執行單元288。
暫存器282儲存關於自執行擦洗過程直至達到ECC允許極限之時間t a(稱為允許時間t a)與外部磁場H ex之量值之之間的關係之資訊。ECC允許極限反映了錯誤狀態，超過該錯誤狀態就無法藉由ECC電路22進行資料(缺陷位)之校正。指示允許時間t a與外部磁場H ex之量值之間的關係之資訊可儲存在ROM 23中而非暫存器282中。
儲存在暫存器282中之資訊例如對應於圖4所示之曲線圖，且為預先獲取之管理資料。圖4為說明允許時間t a與外部磁場H ex之量值之間的關係之曲線圖之實例。垂直軸(Y軸)表示時間t，且水平軸(X軸)表示外部磁場H ex之量值。如圖4所示，允許時間t a隨著外部磁場H ex之增加而減少。
可自對應於圖4所示之曲線圖之管理資料等中理解對應於當前之擦洗時間t sc之允許磁場H a。擦洗時間t sc為自一個擦洗過程至下一擦洗過程之時間。允許磁場H a為外部磁場H ex之量值，當經過預定時間時，在該量值處，磁性儲存裝置1之缺陷位數達到ECC允許極限。
設定單元284基於儲存在暫存器282中之管理資料來將比對應於當前擦洗時間t sc之允許磁場H a之量值更小之值設定為臨限磁場H th。設定單元284自磁性感測器4接收外部磁場H ex之量值。接下來，設定單元284將接收到之外部磁場H ex之量值與臨限磁場H th之量值進行比較，且當外部磁場H ex之量值等於或大於臨限磁場H th之量值時(H ex≥ H th)，將擦洗時間t sc設定為短於當前設定之時間間隔之時間。當外部磁場H ex之量值小於臨限磁場H th之量值時(H ex＜ H th)，擦洗時間t sc保持為當前設定之時間間隔。
將參考圖4描述設定單元284之操作之實例。由於在擦洗時間t sc為t 1時允許磁場H a之量值為H 1，因此設定單元284將臨限磁場H th設定為小於H 1之H 0。當自磁性感測器4接收之外部磁場H ex之量值為H 0時，該量值等於或大於臨限磁場，因此設定單元284將擦洗時間t sc設定為短於當前設定t 1之t 2。
計時器286量測自最近之擦洗過程完成以來經過之時間(稱為系統時間T)。當擦洗執行單元288對非揮發性磁性記憶體3執行擦洗過程時，計時器286重新初始化量測值並開始新之量測。若系統時間T長於擦洗時間t sc(T ＞ t sc)，則擦洗執行單元288對非揮發性磁性記憶體3執行擦洗過程。
記憶體控制器2之上述功能由硬體(諸如處理器(諸如CPU))結合ROM及RAM來實施。例如，將儲存在ROM中之程式讀出至RAM中，且CPU執行RAM中之程式，由此執行記憶體控制器2之操作。 (1)-(b)擦洗過程之控制方法
接下來，將參考圖5描述磁性儲存裝置1之擦洗過程之控制方法。
設定單元284基於儲存在暫存器282中之管理資料來將比對應於當前擦洗時間t sc之允許磁場H a之量值更小之值設定為臨限磁場H th(步驟S11)。
磁性感測器4量測外部磁場H ex之量值且將量測之量值輸入至記憶體控制器2之設定單元284(步驟S12)。
設定單元284自磁性感測器4接收外部磁場H ex之量值且將外部磁場H ex之量值與臨限磁場H th之量值進行比較(步驟S13)。
當外部磁場H ex之量值小於臨限磁場H th之量值時(H ex＜ H th)(步驟S13中為是)，擦洗時間t sc保持為當前設定之時間間隔t 1(步驟S14)，且過程進行至步驟S16。
當外部磁場H ex之量值等於或大於臨限磁場H th之量值時(H ex≥ H th)(步驟S13中為否)，設定單元284將擦洗時間t sc設定為短於當前設定之時間間隔t 1之時間間隔(例如，t = t 2)(步驟S15)，且過程進行至步驟S16。
當系統時間T長於擦洗時間t sc(T ＞ t sc)時(步驟S16中為是)，記憶體控制器2之擦洗執行單元288對非揮發性磁性記憶體3執行擦洗過程，且計時器286將量測值向上初始化且開始新之量測(步驟S17)。
當系統時間T等於或小於擦洗時間t sc時(T ≤ t sc)(步驟S16中為否)，過程返回至步驟S11，且重複與上述相同之過程。
MRAM之寫入錯誤及保持特性因外部磁場而劣化。自可靠性角度來看，MRAM之允許外部磁場存在上限，且通常，在MRAM之產品規格中描述了允許外部磁場範圍。然而，這使得難以在其中產生強磁場之環境中使用MRAM產品，且縮小了MRAM產品之應用範圍。例如，其中產生磁場之環境是變壓器、大功率規格伺服器之電源、電動交通工具之馬達或個人電腦或移動裝置之揚聲器附近。為了解決上述問題，MRAM通常使用磁屏蔽，但磁屏蔽具有增加MRAM部件之安裝厚度之問題。
圖6為說明根據對比實例之磁性儲存裝置之擦洗過程的圖式。在圖6之曲線圖中，水平軸表示時間，且垂直軸表示缺陷位數。上部為描繪沒有外部磁場之正常狀態之曲線圖，而下部為描繪向磁性儲存裝置施加外部磁場之狀態之曲線圖。根據對比實例之磁性儲存裝置不包括磁性感測器。因此，始終以固定之時間間隔對非揮發性磁性記憶體執行擦洗過程。結果，如下部所示，當向磁性儲存裝置施加磁場且保持特性劣化時，缺陷位數超過ECC允許極限。結果，ECC最初寫入之資料無法正常恢復。
圖7為說明根據第一實施例之磁性儲存裝置1之擦洗過程的圖式。根據本實施例之磁性儲存裝置1除記憶體控制器2及非揮發性磁性記憶體3之外亦包括磁性感測器4。當施加外部磁場H ex時，磁性感測器4將外部磁場H ex轉換為電壓信號，且將轉換後之電壓信號輸入至記憶體控制器2。記憶體控制器2以根據磁場之量測之量值設定之時間間隔對非揮發性磁性記憶體3執行擦洗過程。因此，如下部所示，用於執行擦洗過程之間隔根據磁場之量值而變為短於t 1之t 2，且可在達到ECC允許極限之前執行擦洗過程。因此，即使在外部磁場H ex之影響下，ECC最初寫入之資料亦可正常地恢復。
藉由這種方式，藉由將記憶體控制器2及磁性感測器4彼此連接，可根據外部磁場H ex之量測之/感測之量值來控制磁性儲存裝置1之擦洗時間t sc。結果，可維持保持特性且可防止寫入錯誤，因此可提高磁性儲存裝置1之可靠性及外部磁場耐受性。即，由於磁性儲存裝置1可在高磁場環境中操作，因此磁性儲存裝置1可應用於諸如變壓器、大功率規格伺服器之電源、電動交通工具之馬達之類之產品，及/或位於個人電腦或移動裝置之揚聲器附近。此外，磁性儲存裝置1不一定需要磁屏蔽，這有助於減小產品之大小。 (2) 第二實施例
將參考圖8至13描述第二實施例之磁性儲存裝置1a。 (2)-(a)磁性儲存裝置之組態實例
圖8為磁性儲存裝置1a的方塊圖。根據第二實施例之磁性儲存裝置1a具有與根據第一實施例之磁性儲存裝置1類似之組態，但不同之處在於讀寫控制單元25a包括寫入計數控制單元250。第一實施例之擦洗控制單元28並非根據第二實施例之磁性儲存裝置1a之必要元件，因此未在圖8中說明。然而，亦可將第一實施例及第二實施例進行組合。因此，磁性儲存裝置1a可另外包括擦洗控制單元28。
圖9為寫入計數控制單元250的方塊圖。寫入計數控制單元250包括命令傳輸及接收單元251、暫存器252及設定單元254。
當命令傳輸及接收單元251自主機5接收到寫入命令時，請求多次(n次)寫入一個記憶體單元MC之命令被傳輸至非揮發性磁性記憶體3。由設定單元254根據外部磁場H ex之量值來設定寫入次數之值n。
暫存器252儲存指示對於寫入n次，寫入錯誤率(WER)與外部磁場H ex之量值之間的關係之資訊。儲存在暫存器252中之資訊例如對應於稍後所描述之圖10所示之曲線圖，且為預先獲取之管理資料。指示在寫入n次之情況下WER與外部磁場H ex之量值之間的關係之資訊可儲存在ROM 23中而非暫存器252中。
圖10為說明在單次寫入(n = 1)及兩次寫入(n = 2)之情況下WER與外部磁場H ex之量值之間的關係之曲線圖之實例。
垂直軸(Y軸)表示寫入0時之寫入錯誤率(WER0)與寫入1時之寫入錯誤率(WER1)之和。水平軸(X軸)表示外部磁場H ex之量值。
當外部磁場H ex之量值為0時，WER最小，但當外部磁場H ex以較高量值施加至磁性儲存裝置1a時，WER隨著外部磁場H ex之量值增加而升高。因此，必須限制施加至磁性儲存裝置1a之外部磁場H ex之量值。量值極限根據ECC允許極限而變化。在該曲線圖中，垂直軸上之座標對應於ECC允許極限，而水平軸上之座標對應於允許磁場H a-n。允許磁場H a-n為認為非揮發性磁性記憶體3成功操作時之外部磁場H ex之量值之最大值。通常需要將臨限磁場H th設定為小於允許磁場H a-n之值。臨限磁場H th較佳地接近允許磁場H a-n之值。
設定單元254基於儲存在暫存器252中之管理資料來將比對應於寫入次數之當前值n之允許磁場H a之量值更小之值設定為臨限磁場H th。
設定單元254自磁性感測器4接收外部磁場H ex之量值。設定單元254將接收到之外部磁場H ex之量值與臨限磁場H th之量值進行比較，且當外部磁場H ex之量值等於或大於臨限磁場H th之量值時(H ex≥ H th)，可將n值(寫入次數)設定為大於當前設定之n值之值(例如，可將n設定為值2而非值1)。當外部磁場H ex之量值小於臨限磁場H th之量值時(H ex＜ H th)，寫入次數(n值)保持為當前設定之次數(例如，n = 1)。 (2)-(b)寫入資料之控制方法
接下來，將參考圖11描述在磁性儲存裝置1a中寫入資料之控制方法。
設定單元254基於儲存在暫存器252中之管理資料來將比對應於當前設定之寫入次數(n值)之允許磁場H a-n之量值更小之值設定為臨限磁場H th(步驟S21)。
磁性感測器4量測外部磁場H ex之量值並將該量值輸入至設定單元254。(步驟S22)。
設定單元254自磁性感測器4接收外部磁場H ex之量值並將外部磁場H ex之量值與臨限磁場H th之量值進行比較(步驟S23)。
當外部磁場H ex之量值小於臨限磁場H th之量值時(H ex＜ H th)(步驟S23中為是)，寫入次數(n值)保持為當前設定之數量(例如，n = 1)(步驟S24)，且過程進行至步驟S26。
當外部磁場H ex之量值等於或大於臨限磁場H th之量值時(H ex≥ H th)(步驟S23中為否)，設定單元254將寫入次數(n值)設定為大於當前設定之數量(例如，n = 1)之另一值(例如，n = 2)(步驟S25)，且過程進行至步驟S26。
當存在來自主機5之寫入命令時(步驟S26中為是)，命令傳輸及接收單元251傳輸請求n次寫入非揮發性磁性記憶體3之命令(步驟S27)。即，根據來自主機5之命令之寫入被重複n次。當n大於1時，相同之資訊將多次寫入非揮發性記憶體3，以幫助避免及/或補償可能之寫入錯誤。
若未自主機5接收到寫入命令(步驟S26中為否)，則過程返回至步驟S21，且重複與上述相同之過程。
如圖12所示，可在步驟S21之前執行圖11之步驟S26。在圖11之情況下，記憶體控制器2a可在自主機5接收到寫入命令之後立即將資料寫入非揮發性磁性記憶體3。在圖12之情況下，由於在自主機5接收到寫入命令之後量測外部磁場H ex之量值，因此可降低功耗。
圖13為說明在根據對比實例之磁性儲存裝置中單次(一次)寫入時WER與外部磁場H ex之量值之間的關係之曲線圖之實例。在根據對比實例之磁性儲存裝置中，如圖13所示，回應於寫入請求而對記憶體單元MC執行單次寫入。因此，隨著施加至磁性儲存裝置之外部磁場H ex之增加，WER將增加。結果，最終將超過ECC允許極限，且無法正常恢復最初由ECC寫入之資料。
另一方面，根據第二實施例之磁性儲存裝置1a可對記憶體單元MC複數次執行寫入，該次數係根據外部磁場H ex之量值而判定的。在圖10所示之實例中，當外部磁場H ex之量值等於或大於臨限磁場H th時，寫入次數自一次切換為兩次。結果，與僅一次(單次)寫入之情況相比，WER減小，且可使允許磁場H a-n更大。
根據第二實施例之磁性儲存裝置1a除記憶體控制器2a及非揮發性磁性記憶體3之外亦包括磁性感測器4。藉由將記憶體控制器2a及磁性感測器4彼此連接，可根據外部磁場H ex之量值來調整用於將資料寫入非揮發性磁性記憶體3之寫入次數(n值)。結果，可藉由增加用於每個寫入命令之寫入次數來減少寫入錯誤，且可提高磁性儲存裝置1a之可靠性及外部磁場耐受性。此外，磁性儲存裝置1a對磁屏蔽之需求較少，這有助於減小產品大小。 (3) 第二實施例之變型
將參考圖14至圖17描述根據第二實施例之變型之磁性儲存裝置1b。 (3)-(a)磁性儲存裝置之組態實例
圖14為磁性儲存裝置1b的方塊圖。圖15為非揮發性磁性記憶體3b的方塊圖。根據第二實施例之變型之磁性儲存裝置1b具有與根據第二實施例之磁性儲存裝置1a基本相同之組態，但不同之處在於記憶體控制器2b包括模式選擇單元256，且非揮發性磁性記憶體3b包括寫入脈衝寬度控制單元372及寫入電流控制單元374。在該變型中，可根據外部磁場H ex之量值來控制寫入脈衝寬度或寫入電流之量值，而非控制用於將資料寫入非揮發性磁性記憶體3b之寫入次數(n值)。
第一實施例之擦洗控制單元28並非根據第二實施例之變型之磁性儲存裝置1b之必要元件，因此未在圖14中說明。然而，亦可將第一實施例及第二實施例之該變型進行組合。因此，磁性儲存裝置1b亦可包括擦洗控制單元28。
圖16為寫入計數控制單元250b的方塊圖。如圖14及圖16所示，記憶體控制器2b進一步包括模式選擇單元256。模式選擇單元256根據外部磁場H ex之量測之量值來選擇要控制之參數。參數例如為對非揮發性磁性記憶體3b之寫入次數n、寫入脈衝寬度或每次寫入時使用之寫入電流之量值。模式選擇單元256根據選定參數將用於控制操作之信號傳輸至寫入脈衝寬度控制單元372或寫入電流控制單元374。包括寫入次數(n值)、寫入脈衝寬度之量值、寫入電流之量值等之複數個參數可全部根據外部磁場H ex之量值而同時控制。例如，模式選擇單元256可控制寫入脈衝寬度控制單元372及寫入電流控制單元374兩者來同時進行操作。
圖17為寫入電路37b的方塊圖。如圖15及圖17所示，寫入電路37b進一步包括寫入脈衝寬度控制單元372及寫入電流控制單元374。寫入脈衝寬度控制單元372根據外部磁場H ex之量值來控制寫入脈衝寬度之量值。寫入電流控制單元374根據外部磁場H ex之量測之量值來控制寫入電流之量值。
與根據第二實施例之磁性儲存裝置1a類似，根據第二實施例之變型之磁性儲存裝置1b除記憶體控制器2b及非揮發性磁性記憶體3b以外亦包括磁性感測器4。藉由將記憶體控制器2b及磁性感測器4彼此連接，可根據外部磁場H ex之量值來控制用於非揮發性磁性記憶體3b之寫入次數(n值)。結果，可減少寫入錯誤，且可提高磁性儲存裝置1b之可靠性及磁性儲存裝置對外部磁場之耐受性。磁性儲存裝置1b對磁屏蔽之需求較少，這有助於減小產品大小。
在根據第二實施例之變型之磁性儲存裝置1b中，可控制寫入脈衝寬度及/或寫入電流之量值，而非控制對非揮發性磁性記憶體3b之寫入次數(n值)。因此，可避免重複n次寫入命令所需之時間。 (3) 其他變型
將參考圖18至21描述某些其他變型。在以下描述中，晶片C1至C8(分別稱為第一晶片C1、第二晶片C2……第八晶片C8)用作晶片C之實例，但通常，可能之變型中之每個晶片C之類型及數量不限於此。
圖18為說明其中根據上述實施例之磁性儲存裝置1之記憶體控制器2(對應於記憶體控制器2a或2b)、非揮發性磁性記憶體3 (亦對應於非揮發性磁性記憶體3b)及磁性感測器4(對應於記憶體控制器1a或1b)安裝在第一晶片C1上之組態實例的方塊圖。在圖18所描繪之情況下，磁性儲存裝置1安裝在同一晶片上，這有助於減小產品之大小。
圖19為說明其中磁性儲存裝置1之非揮發性磁性記憶體3及磁性感測器4安裝在第二晶片C2上而記憶體控制器2安裝在第三晶片C3上之組態實例的方塊圖。在圖19所描繪之情況下，由於非揮發性磁性記憶體3及磁性感測器4安裝在同一晶片上，因此磁性感測器4可非常準確地量測施加至非揮發性磁性記憶體3之磁場。
圖20為說明其中磁性儲存裝置1之記憶體控制器2及磁性感測器4安裝在第四晶片C4上而非揮發性磁性記憶體3安裝在第五晶片C5上之組態實例的方塊圖。在圖20所描繪之情況下，可藉由將磁性感測器形成為嵌入式MRAM(eMRAM)來降低磁性感測器晶片之封裝成本。此外，由於非揮發性磁性記憶體3為獨立晶片，因此可在專用於製造MRAM之過程中形成非揮發性磁性記憶體3，使得可根據MRAM裝置之限制來控制製造溫度。
圖21為說明其中磁性儲存裝置1之記憶體控制器2、非揮發性磁性記憶體3及磁性感測器4安裝在不同晶片上之組態實例的方塊圖。
如圖21所示，每個單元可安裝在不同之晶片上。即，記憶體控制器2可安裝在第六晶片C6上，非揮發性磁性記憶體3可安裝在第七晶片C7上，而磁性感測器4可安裝在第八晶片C8上。在圖21所描繪之情況下，由於非揮發性磁性記憶體3為獨立晶片，因此可在適合於MRAM之溫度下製造非揮發性磁性記憶體3。
晶片C可經由矽通孔(TSV)或凸塊彼此電連接並堆疊。為了準確地量測施加至非揮發性磁性記憶體3之磁場之量值，較佳地，非揮發性磁性記憶體3及磁性感測器4彼此緊密相鄰。此外，只要記憶體控制器2及磁性感測器4以某種方式電連接，則不需要此等元件直接彼此連接。
記憶體控制器2、非揮發性磁性記憶體3及磁性感測器4可安裝在雙列直插式記憶體模組(DIMM)介面或快速周邊部件互連 (PCI Express®)(PCIe)介面上。具體言之，可將記憶體控制器2、非揮發性磁性記憶體3及磁性感測器4安裝在用於移動裝置、物聯網(IoT)裝置或結合在交通工具上之基板上。
亦可將磁性儲存裝置1(例如，磁性儲存裝置1a及1b)與一或多個磁屏蔽結合。在這種情況下，可進一步提高磁性儲存裝置1之可靠性及外部磁場耐受性。
儘管已經描述了某些實施例，但此等實施例僅藉由實例之方式給出，且不意圖限制本發明之範疇。實際上，本文描述之新穎實施例可各種其他形式來體現；此外，在不脫離本發明之精神之情況下，可對本文描述之實施例之形式進行各種省略、替換及改變。所附申請專利範圍及其等同物意圖涵蓋將落入本發明之範圍及範疇內之此類形式或變型。 相關申請案之交叉引用
本申請案係基於2020年6月24日提交之日本專利申請第2020-108821號並要求其優先權益，該專利申請之全部內容以引用之方式併入本文中。
1: 磁性儲存裝置 1a: 磁性儲存裝置 1b: 磁性儲存裝置 2: 記憶體控制器 2a: 記憶體控制器 2b: 記憶體控制器 3: 非揮發性磁性記憶體 3b: 非揮發性磁性記憶體 4: 磁性感測器 5: 主機 6: 連接線 7: 連接線 8: 連接線 20: 主機介面(I/F) 21: 中央處理單元(CPU) 22: 錯誤檢查及校正(ECC)電路 23: 唯讀記憶體(ROM) 24: 隨機存取記憶體(RAM) 25: 讀寫控制單元 25a: 讀寫控制單元 26: 記憶體介面(I/F) 27: 磁性感測器介面(I/F) 28: 擦洗控制單元 29: 內部匯流排 30: 輸入及輸出電路 31: 定序器 32: 列解碼器 33: 字線驅動器 34: 行解碼器 35: 位元線驅動器 36: 記憶體單元陣列 37: 寫入電路 37b: 寫入電路 38: 讀取電路 39: 開關電路 41: 感測器 42: 類比/數位轉換器(ADC) 43: 操作單元 44: 控制器介面(I/F) 45: 內部匯流排 250: 寫入計數控制單元 250b: 寫入計數控制單元 251: 命令傳輸及接收單元 252: 暫存器 254: 設定單元 256: 模式選擇單元 282: 暫存器 284: 設定單元 286: 計時器 288: 擦洗執行單元 372: 寫入脈衝寬度控制單元 374: 寫入電流控制單元 C1: 第一晶片 C2: 第二晶片 C3: 第三晶片 C4: 第四晶片 C5: 第五晶片 C6: 第六晶片 C7: 第七晶片 C8: 第八晶片 S11: 步驟 S12: 步驟 S13: 步驟 S14: 步驟 S15: 步驟 S16: 步驟 S17: 步驟 S21: 步驟 S22: 步驟 S23: 步驟 S24: 步驟 S25: 步驟 S26: 步驟 S27: 步驟
圖1為根據第一實施例之磁性儲存裝置的方塊圖。
圖2為根據第一實施例之非揮發性磁性記憶體的方塊圖。
圖3為根據第一實施例之磁性儲存裝置之擦洗控制單元的方塊圖。
圖4為描繪允許時間與用於根據第一實施例之磁性儲存裝置之外部磁場之量值之間的關係之曲線圖。
圖5為說明根據第一實施例之磁性儲存裝置之擦洗過程之控制方法的圖式。
圖6為說明根據對比實例之磁性儲存裝置之擦洗過程的圖式。
圖7為說明根據第一實施例之磁性儲存裝置之擦洗過程的圖式。
圖8為根據第二實施例之磁性儲存裝置的方塊圖。
圖9為根據第二實施例之磁性儲存裝置之寫入計數控制單元的方塊圖。
圖10描繪了用於寫入錯誤率(WER)與根據第二實施例之磁性儲存裝置之外部磁場之量值之間的關係。
圖11為說明在根據第二實施例之磁性儲存裝置中寫入資料之控制方法的圖式。
圖12為說明在根據第二實施例之磁性儲存裝置中寫入資料之控制方法的圖式。
圖13描繪了WER與用於根據對比實例之磁性儲存裝置之外部磁場之量值之間的關係。
圖14為根據第二實施例之變型之磁性儲存裝置的方塊圖。
圖15為根據第二實施例之變型之非揮發性磁性記憶體的方塊圖。
圖16為根據第二實施例之變型之寫入計數控制單元的方塊圖。
圖17為根據第二實施例之變型之寫入電路的方塊圖。
圖18為根據另一變型之磁性儲存裝置的方塊圖，其中記憶體控制器、非揮發性磁性記憶體及磁性感測器安裝在第一晶片上。
圖19為根據再另一變型之磁性儲存裝置的方塊圖，其中非揮發性磁性記憶體及磁性感測器安裝在第二晶片上，而記憶體控制器安裝在第三晶片上。
圖20為根據又另一變型之磁性儲存裝置的方塊圖，其中記憶體控制器及磁性感測器安裝在第四晶片上，而非揮發性磁性記憶體安裝在第五晶片上。
圖21為根據另一變型之磁性儲存裝置的方塊圖，其中記憶體控制器、非揮發性磁性記憶體及磁性感測器安裝在不同之晶片上。
S11: 步驟 S12: 步驟 S13: 步驟 S14: 步驟 S15: 步驟 S16: 步驟 S17: 步驟

Claims (20)

  1. 一種磁性儲存裝置，其包含：一非揮發性磁性記憶體，該非揮發性磁性記憶體包括一磁阻效應元件；一磁性感測器，該磁性感測器經組態以量測一外部磁場之一量值；及一控制器，該控制器經組態以當該外部磁場之該量測之量值小於一磁場臨限值時以第一時間間隔偵測該非揮發性磁性記憶體中之資料錯誤，且當該外部磁場之該量測之量值等於或大於該磁場臨限值時以短於該第一時間間隔之第二時間間隔偵測該非揮發性磁性記憶體中之資料錯誤。
  2. 如請求項1之磁性儲存裝置，其中該控制器進一步經組態以當該等偵測到之資料錯誤超過一錯誤臨限值時校正資料錯誤。
  3. 如請求項1之磁性儲存裝置，其中該磁性感測器為一霍爾效應感測器或一磁性穿隧接面(MTJ)元件。
  4. 如請求項1之磁性儲存裝置，其中該非揮發性磁性記憶體、該磁性感測器及該控制器位於一個基板上。
  5. 如請求項1之磁性儲存裝置，其中該非揮發性磁性記憶體及該磁性感測器位於一個基板上。
  6. 如請求項1之磁性儲存裝置，其中該磁性感測器為一磁性穿隧接面(MTJ)元件，且該磁性感測器及該非揮發性磁性記憶體位於一個雙列直插式記憶體模組(DIMM)上。
  7. 如請求項1之磁性儲存裝置，其進一步包含：一磁屏蔽，該磁屏蔽覆蓋該非揮發性磁性記憶體。
  8. 一種磁性儲存裝置，其包含：一非揮發性磁性記憶體，該非揮發性磁性記憶體包括複數個記憶體單元，每個該記憶體單元配備有一磁阻效應元件；一磁性感測器，該磁性感測器經組態以量測一外部磁場之一量值；及一控制器，該控制器經組態以根據該外部磁場之該量測之量值來設定用於將資料寫入該複數個記憶體單元之參數。
  9. 如請求項8之磁性儲存裝置，其中該控制器根據該外部磁場之該量測之量值來設定用於將資料寫入該記憶體單元之一次數。
  10. 如請求項8之磁性儲存裝置，其中該磁性感測器為一霍爾效應感測器或一磁性穿隧接面(MTJ)元件。
  11. 如請求項8之磁性儲存裝置，其中該非揮發性磁性記憶體、該磁性感測器及該控制器位於一個基板上。
  12. 如請求項8之磁性儲存裝置，其中該非揮發性磁性記憶體及該磁性感測器位於一個基板上。
  13. 如請求項8之磁性儲存裝置，其中該磁性感測器為一磁性穿隧接面(MTJ)元件，且該磁性感測器及該非揮發性記憶體位於一個雙列直插式記憶體模組(DIMM)上。
  14. 如請求項8之磁性儲存裝置，其中該控制器根據該外部磁場之該量測之量值來設定用於將資料寫入該複數個記憶體單元之一寫入脈衝寬度。
  15. 如請求項8之磁性儲存裝置，其中該控制器根據該外部磁場之該量測之量值來設定用於將資料寫入該複數個記憶體單元之一寫入電流。
  16. 如請求項8之磁性儲存裝置，其中該控制器進一步經組態以當該外部磁場之該量測之量值小於一磁場臨限值時以第一時間間隔偵測該非揮發性磁性記憶體中之資料錯誤，且當該外部磁場之該量測之量值等於或大於該磁場臨限值時以短於該等第一時間間隔之第二時間間隔偵測該非揮發性磁性記憶體中之資料錯誤。
  17. 一種磁性儲存裝置，其包含：複數個記憶體單元，每個該記憶體單元具有一磁阻效應元件；一寫入電路，該寫入電路經組態以根據來自一主機裝置之命令將資料寫入該複數個記憶體單元；一磁性感測器，該磁性感測器經組態以量測一外部磁場之一量值；及一控制器，該控制器經組態以根據該外部磁場之該量測之量值來控制該寫入電路以調整用於將資料寫入該複數個記憶體單元之一參數。
  18. 如請求項17之磁性儲存裝置，其中該參數為用於寫入該資料之一次數、一寫入脈衝寬度或一寫入電流量值中之一者。
  19. 如請求項17之磁性儲存裝置，其中該控制器經組態以調整用於將資料寫入該複數個記憶體單元之複數個參數，且該等參數中之至少一者為用於寫入該資料之一次數、一寫入脈衝寬度或一寫入電流量值。
  20. 如請求項17之磁性儲存裝置，其中該磁性感測器設置在具有該複數個記憶體單元之一晶片上。
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