[发明专利]在自旋转移力矩磁阻随机存取存储器中加电期间的数据保护

说明书

技术领域

本发明的实施例与随机存取存储器(RAM)有关。更明确地说，本发明的实施例与自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)中加电期间的数据保护有关。

背景技术

随机存取存储器(RAM)是现代数字架构的普遍存在的组件。RAM可为独立装置或可集成或嵌入于使用RAM的装置(例如，微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、芯片上系统(SoC)及如所属领域的技术人员将了解的其它类似装置)中。RAM可为易失性或非易失性的。每当电力被移除时，易失性RAM就失去其所存储的信息。即使当电力从非易失性RAM移除时，所述存储器也可维持其存储内容。虽然非易失性RAM具有能够在未施加电力的情况下维持其内容的优点，但常规非易失性RAM与易失性RAM相比具有较慢的读取/写入时间。

磁阻随机存取存储器(MRAM)为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。与随电荷或电流流动存储数据的常规RAM技术相比来说，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，磁性层110及130中的每一者可保持一磁场，所述两者通过绝缘(隧道势垒)层120而分离。所述两个层中的一者(例如，固定层110)被设置为具有特定极性。另一层(例如，自由层130)的极性132能够自由改变以与可施加的外部场的极性匹配。自由层130的极性132的改变将改变MTJ存储元件100的电阻。举例来说，当极性对准(图1A)时，出现低电阻状态。当极性未对准(图1B)时，那么出现高电阻状态。已简化MTJ 100的说明，且所属领域的技术人员将了解，所说明的每一层可包含一个或一个以上材料层，如此项技术中所已知。

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，可通过激活相关联晶体管210来选择特定MTJ 100，此激活可使电流从位线220切换通过MTJ 100。由于隧道磁阻效应，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，如上文所论述。任一特定MTJ 100内的电阻可根据因自由层的极性而产生的电流来确定。按照惯例，如果固定层110及自由层130具有相同极性，那么电阻为低，且读取“0”。如果固定层110及自由层130具有相反极性，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的写入操作为磁性操作。因此，晶体管210在写入操作期间是断开的。电流传播经过位线220及数字线230以建立磁场250及260，磁场250及260可影响MTJ 100的自由层的极性及因此影响单元200的逻辑状态。因此，可将数据写入到MTJ 100且存储在MTJ 100中。

MRAM具有使其成为通用存储器的候选者的若干合意特性，例如高速度、高密度(即，较小的位单元大小)、低电力消耗及无随时间的降级。然而，MRAM具有可缩放性问题。具体地说，当位单元变得较小时，用于切换存储器状态的磁场增加。因此，电流密度及电力消耗增加以提供较高磁场，从而限制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)使用在穿过薄膜(自旋过滤器)时变为经自旋极化的电子。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(自旋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，如前文中所论述。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。为读取及写入操作两者而接通晶体管310，以允许电流流经MTJ 305，使得可读取或写入逻辑状态。