[发明专利]具有改进的读写容限的电流驱动切换磁性存储单元及采用该单元的磁性存储器

说明书

技术领域

本发明涉及磁性存储系统，尤其涉及一种提供具有改进的读写容限的存储器、磁性存储单元和/或读与/或写机制的方法和系统。

背景技术

图1示出了现有的磁性随机存取存储器(MRAM)1的一小部分。现有的MRAM 1包括磁性存储单元10，磁性存储单元10包括通常是现有的磁性隧道结(MTJ)12的现有磁性元件12和现有的选择装置14。图中还示出了写字线16、读字线18和位线20。通过对现有的磁性元件12进行编程使之成高阻态或低阻态，将数据存储到现有磁性元件12中。通常通过利用位线20和写字线16两者中流动的电脉冲产生的磁场来进行编程。一般来说，由仅在位线20中或仅在写字线16中流动的电流生成的磁场不足以对现有磁性元件12进行编程。通过采用读字线18启动选择装置14并驱动读电流通过现有磁性元件，对现有磁性元件12进行读操作。

图2示出了现有的MRAM阵列30较大的一部分，其采用诸如图1中所示的现有存储单元10的多个现有存储单元。参照图2，现有磁性存储单元10以行和列设置。现有磁性存储单元10仍包括读字线18、写字线16和位线20。图2还示出了位线选择器32、字线选择器34、第一数位线选择器36、第二数位线选择器38、位线及接地线选择器40、带有电流源的差分电流传感器42、比较器44、包括对应于存储单元10的存储单元10’与对应于位线20的位线22的基准列46、以及开关48、50、52、54、56、和58。读字线18与字线选择器34相连接并由字线选择器34致能。各写字线16，也可被称为数位线，分别与第一数位线选择器36和第二数位线选择器38相连接。读字线18与写字线16水平运行，而也用作数据线的位线20则垂直运行。位线20与第一位线选择器32和第二位线选择器40相连接。位于线16、18、20、22端部的开关48、50、52、54、56与58通常是晶体管，并且将线16、18、20、22连接到诸如电压源之类的电源，或接地。

写操作过程中，位线20被启动，并且其所载电流生成一部分切换磁性元件12所需的磁场(称为切换场)。此外，相应的写字线16被启动，其所载电流生成剩余部分的切换磁场。在大多数现有的MRAM30中，仅由位线20生成的磁场或由仅写字线16生成的磁场都不足以对任何现有的磁性元件12进行编程，或切换其状态。然而，将位线20和写字线16结合可在它们的交叉点处生成切换场。因而，可对被选择的现有磁性元件12进行写操作。

读操作过程中，读字线18和含有要读取的磁性元件的相应位线20被启动。仅在位于启动的位线20和启动的写字线18之间的交点处的现有磁性存储单元10上有电流被驱动通过，并且因此进行读操作。采用差分电流传感器42和比较器44，将被读取的现有的磁性存储单元的阻态与基准单元10’相比较，比较器44比较这两个电流信号，并生成存储状态“1”或“0”的输出V_out。

尽管现有的MRAM30可以操作，但本领域技术人员会意识到现有技术存在一些弊端。编程采用驱动通过相应的线16和线20的电流而生成的磁场。磁场不是局部现象。此外，采用对应于较大磁场的较大电流，对现有磁性存储单元10进行编程。因而，邻近单元可被干扰或随意被写。结果，现有MRAM10的性能受到影响。可采用称为触发写的高级架构来解决此问题。然而，触发写需要高得多的磁场，其使用明显更高的电流。此外，对于利用叠加场进行写的现有磁性元件12，生成切换场所需的电流随着现有磁性元件12的宽度减小而增大。因而，耗电量显著增大，尤其对较高密度存储器中的较小磁性元件12来说。这个增大的耗电量是不想要的。此外，触发写在实际写之前需要进行一个读验证。因此，总存取时间较大。这个较大的存取时间也使触发写对于高速应用来说缺乏吸引力。此外，包括触发写MRAM的现有MRAM的电流生成存储单元的大小接近40f²，其中f为光刻临界尺寸。这个尺寸范围与半导体存储器SRAM的密度相比极具竞争力。然而，MRAM的成本更大，因为制造过程中MRAM所采用的掩膜比SRAM多五至七倍。因而，需要另一种用于提供MRAM的机制。

图3示出了现有的以自旋转移为基础进行切换的随机存取存储器(自旋RAM)70的一小部分。自旋RAM70包括现有的磁性存储单元80，其包括现有的磁性元件82和选择装置84、字线86、位线88和源线90。字线86的方向垂直于位线88。源线90通常平行或垂直于位线88，取决于自旋RAM70所用的特定构架。