[发明专利]磁性移位寄存存储器以及数据存取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁性移位寄存存储器(magnetic shift register  memory)以及其操作方法。

背景技术

磁性随机存取存储器(MRAM)具有非易失性、高密集度、高读写速度、 抗辐射线等等优点，具有取代传统半导体存储器，跨入嵌入式存储器应用的 优势。传统的磁场写入式的MRAM元件，采用金属线通入电流，感应出磁场， 以翻转MRAM的自由层。然而由于尺寸的缩小，去磁场效应的快速增加，所 需写入的电流激增，造成此类MRAM存储器遭遇到微缩化的种种困难。

近几年来MRAM技术提出采取自旋传输翻转(Spin-torque-transfer  switching，STT)的技术，其又称为Spin-RAM，是写入方式的新一代磁性存 储器技术。写入电流直接流经存储元，随存储元尺寸缩小，所需的写入电流 随之下降，因此这类存储器拥有不错的微缩性。然而，此STT技术至今仍有 元件热稳定性不足、写入电流过大、以及可靠度特性的种种不确定性，可能 导致此类存储器未来投入批量生产时产生巨大的阻碍。

另外传统技术中也有利用电流脉冲来移动磁壁的(current-driven  domain wall motion)理论，于1998年-2004年陆续提出与发展完备。美国 专利第6,834,005 B1号文件，提出一种可以大幅提高芯片或硬盘信息储存 容量的元件结构，称为磁性移位寄存存储器(magnetic shift register)。 这种存储器有机会取代现在的动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取 存储器(SRAM)以及闪存(FLASH)芯片，甚至还可以让“存储器硬盘芯片 (disk drive on a chip)”变成事实。此存储器主要采用类似于硬盘的磁性 记录盘，折迭成三维堆栈方式储存，通过电流驱动磁壁移动的方式，将信息 逐一的记录其中，所以其等效的位尺寸可以缩小许多，且操作速度超过固态 闪存芯片以及硬盘的速度。

图1A-1C示出了传统磁性移位寄存存储的操作示意图。移位寄存存储器 100，包含一位储存区35(Storage region)，一位寄存区40(Reservoir  region)，一写入元件15(Writing device)，一读取元件20(Reading device)。 此移位寄存存储器100，以磁性金属材料来形成，例如NiFe、CoFe等的铁磁 性材料，可供信息储存及移动的轨道11(Track)。轨道11上可以磁化成许多 小区域的扇区(Magnetic Domains)25、30。这些扇区的磁化向量 (magnetization)的方向，可以表示储存信息的0与1逻辑值。这个移位寄 存存储器的轨道11与邻近轨道相互连接成串，以一组写入元件15及读取元 件20区隔成每一组存储区域，在每一组存储区域当中，包含位储存区35及 位寄存区40。在信息储存起始态时(Quiescent state)，也就是不加电流驱 动磁壁移动的稳态时，许多的存储单元，例如扇区25代表数据0，扇区30 代表数据1，依序储存在位储存区35内。而此时位寄存区40不存放信息。 此磁性移位寄存存储器的读取元件20用磁性穿遂元件(Magnetic Tunneling  Junction，MTJ)与轨道11相连接，欲读取依序的位信息的时候，通过通入 电流脉冲45导致每一个扇区25、30向电子流的方向产生磁壁移动(Domain  Wall Motion，DWM)。