[发明专利]用于具有缩小的位单元尺寸的自旋转移力矩磁阻式随机存取存储器的写入操作

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及随机存取存储器(RAM)。更特定来说，本发明的实施例涉及自旋转移力矩磁阻式随机存取存储器(STT-MRAM)中的写入操作。

背景技术

随机存取存储器(RAM)为现代数字架构的普遍存在的组件。RAM可为独立的装置或可被集成或嵌入于使用RAM的装置(例如，微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、系统单芯片(SoC)，及如将了解的其它类似装置)内。RAM可为易失性的或非易失性的。一旦移除功率，易失性RAM便会丢失其所存储的信息。即使在从存储器移除了功率时，非易失性RAM仍可维持其存储器内容。尽管非易失性RAM在于未施加功率的情况下维持其内容的能力方面具有优点，但常规的非易失性RAM具有比易失性RAM慢的读取/写入时间。

磁阻式随机存取存储器(MRAM)为非易失性存储器技术，其具有与易失性存储器相当的响应(读取/写入)时间。与将数据存储为电荷或电流的常规RAM技术相反，MRAM使用磁性元件。如图1A及图1B中所说明，磁性隧道结(MTJ)存储元件100可由两个磁性层110及130形成，其中每一者可保持磁场，由绝缘(隧道势垒)层120将磁性层110与130分离。将所述两个层中的一者(例如，固定层110)设定为特定极性。另一层(例如，自由层130)的极性132能够自由改变以匹配于可施加的外部场的极性。自由层130的极性132的改变将会改变MTJ存储元件100的电阻。举例来说，当对准了极性时(图1A)，存在低电阻状态。当未对准极性时(图1B)，则存在高电阻状态。已简化MTJ 100的说明，且应了解，如此项技术中所已知，所说明的每一层可包含一个或一个以上材料层。

参看图2A，针对读取操作来说明常规MRAM的存储器单元200。单元200包括晶体管210、位线220、数字线230及字线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而选择特定MTJ 100，所述晶体管210可切换来自位线220的通过所述MTJ 100的电流。如上文所论述，归因于隧道磁阻效应(magnetoresistive effect)，MTJ 100的电阻基于两个磁性层(例如，110、130)中的极性的定向而改变。任何特定MTJ 100内部的电阻可根据由自由层的极性引起的电流来确定。按照惯例，如果固定层110及自由层130具有相同极性，则电阻为低且读取“0”。如果固定层110及自由层130具有相反极性，则电阻为高且读取“1”。

参看图2B，针对写入操作来说明常规MRAM的存储器单元200。MRAM的写入操作为磁性操作。因此，在写入操作期间晶体管210为断开的。经由位线220及数字线230传播电流以建立磁场250及260，磁场250及260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，可将数据写入到MTJ 100且存储于MTJ 100中。

MRAM具有使其成为通用存储器的候选者的若干所要特性，例如，高速度、高密度(即，小的位单元尺寸)、低功率消耗，及随时间流逝无降级。然而，MRAM具有可扩充性问题。具体来说，随着位单元变小，用于切换存储器状态的磁场增大。因此，电流密度及功率消耗增大以提供较高的磁场，从而限制MRAM的可扩充性。

和常规MRAM不同，自旋转移力矩磁阻式随机存取存储器(STT-MRAM)使用电子，所述电子在通过薄膜(自旋滤波器)时得以自旋极化。STT-MRAM也被称为自旋转移力矩RAM(STT-RAM)、自旋力矩转移磁化切换RAM(Spin-RAM)及自旋动量转移(SMT-RAM)。在写入操作期间，经自旋极化的电子在自由层上施加力矩，所述力矩可切换自由层的极性。读取操作与常规MRAM类似之处在于：如前述内容中所论述，使用电流来检测MTJ存储元件的电阻/逻辑状态。如图3A中所说明，STT-MRAM位单元300包括MTJ 305、晶体管310、位线320及字线330。针对读取操作及写入操作而接通晶体管310以允许电流流过MTJ 305，使得可读取或写入逻辑状态。