[发明专利]用于自旋转移力矩磁阻随机存取存储器中的读取操作的接地电平预充电位线方案

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及随机存取存储器(RAM)。更具体来说，本发明的实施例涉及自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)中的读取操作。

背景技术

随机存取存储器(RAM)是现代数字结构的普遍存在的组件。RAM可以是独立的装置，或者可集成或嵌入在使用RAM的装置内，所述装置例如为微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、芯片上系统(SoC)以及所属领域的技术人员将了解的其它类似装置。RAM可以是易失性的或非易失性的。易失性RAM只要在电力被移除时便会丢失其存储的信息。非易失性RAM即使在电力被从存储器移除时也可维持其存储器内容。虽然非易失性RAM在不被供应电力的情况下维持其内容的能力方面具有优点，但常规非易失性RAM具有比易失性RAM慢的读取/写入时间。

磁阻随机存取存储器(MRAM)是具有与易失性存储器相当的响应(读取/写入)时间的非易失性存储器技术。与在电荷或电流流动时存储数据的常规RAM技术相比，MRAM使用磁性元件。如图1A和1B中说明，磁性隧道结(MTJ)存储元件100可由由绝缘(隧道势垒)层120分离的两个磁性层110和130形成，每一磁性层可保持一磁场。所述两个层中之一(例如，固定层110)被设定为特定极性。另一层(例如，自由层130)的极性132自由地改变以与可施加的外部场的极性匹配。自由层130的极性132的改变将使MTJ存储元件100的电阻改变。举例来说，当极性对准时(图1A)，存在低电阻状态。当极性未对准时(图1B)，则存在高电阻状态。MTJ 100的图解已被简化，且所属领域的技术人员将了解，所说明的每一层可包括一个或一个以上材料层，如此项技术中已知。

参看图2A，针对读取操作说明常规MRAM的存储器单元200。单元200包含晶体管210、位线220、数字线230和字线240。可通过测量MTJ 100的电阻来读取单元200。举例来说，可通过激活相关联的晶体管210来选择特定MTJ 100，所述晶体管210可切换来自穿过MTJ 100的位线220的电流。由于隧道磁阻效应，MTJ 100的电阻基于所述两个磁性层(例如，110、130)中的极性的定向而改变，如上文论述。任何特定MTJ 100内的电阻均可根据由自由层的极性引起的电流来确定。常规上，如果固定层110和自由层130具有相同极性，那么电阻为低，且读取“0”。如果固定层110和自由层130具有相反极性，那么电阻较高，且读取“1”。

参看图2B，针对写入操作说明常规MRAM的存储器单元200。MRAM的写入操作是磁性操作。因此，晶体管210在写入操作期间断开。电流传播经过位线220和数字线230以建立磁场250和260，所述磁场可影响MTJ 100的自由层的极性，且因此影响单元200的逻辑状态。因此，数据可写入到MTJ 100且存储在其中。

MRAM具有若干使得其成为通用存储器的候选者的合意特性，例如高速度、高密度(即，小的位单元大小)、低功率消耗和不会随着时间而降级。然而，MRAM具有可缩放性问题。具体来说，随着位单元变得较小，用于切换存储器状态的磁场增加。因此，电流密度和功率消耗增加以提供较高的磁场，因此限制了MRAM的可缩放性。

不同于常规MRAM，自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)使用电子，在电子穿过薄膜(自旋过滤器)时所述电子变为经自旋极化。STT-MRAM也称为自旋转移力矩RAM(STT-RAM)、自旋力矩转移磁化切换RAM(Spin-RAM)和自旋动量转移(SMT-RAM)。在写入操作期间，经自旋极化的电子对自由层施加力矩，所述力矩可切换自由层的极性。读取操作与常规MRAM的类似之处在于使用电流来检测MTJ存储元件的电阻/逻辑状态，如上文中论述。如图3A中说明，STT-MRAM位单元300包含MTJ305、晶体管310、位线320和字线330。晶体管310被接通以用于读取和写入操作两者，以允许电流流过MTJ 305，使得可读取或写入逻辑状态。