[发明专利]使用可能性写入对MRAM单元进行编程

说明书

本申请要求于2009年2月23日提交的、标题为“Programming MRAM  Cells Using Probability Write”的美国临时专利申请序列第61/154,660号的 优先权，其申请结合与此作为参考。

技术领域

本发明总的来说涉及存储器件，更具体地，涉及磁阻随机存取存储器 (MRAM)器件的写入(编程)。

背景技术

在用于电子应用的集成电路中使用半导体，该半导体包括无线电设备、 电视、蜂窝电话和个人计算设备。一种类型的半导体器件是半导体存储器 件，诸如动态随机存取存储器(DRAM)或闪存，它们都使用电荷来存储 信息。

最近对半导体存储器件的开发涉及自旋电子，其将半导体技术与磁材 料和设备相结合。电子的自旋极化(而不是电子的电荷)被用于表示“1”或 “0”的状态。如图1所示，一种这样的自旋电子器件是自旋力矩转移(STT) 磁隧道结(MTJ)器件10。

MTJ器件10包括自由层12、隧道层14和固定层(pinned layer)16。 自由层12的磁化方向可以通过施加穿过隧道层14的电流来反转，这引起 自由层12内的注入极化电子对自由层12的磁化施加所谓的自旋力矩。固 定层16具有固定的磁化方向。当电流I1在从自由层12到固定层16的方 向上流动时，电子在相反方向上流动，即，从固定层16向自由层12流动。 在通过固定层16，流过隧道层，然后流入并积聚在自由层12中之后，电 子被极化为固定层16的相同极化方向。最后，自由层12的磁化与固定层 16的磁化平行，并且MTJ器件10将处于低阻状态。由电流I1引起的电子 注入被称为主注入。

当施加从固定层16流向自由层12的电流I2时，电子在从自由层12 向固定层16的方向上流动。极化方向与固定层16的磁化方向相同的电子 能够流过隧道层14并进入固定层16。相反，极化与固定层16的磁化不同 的电子将被固定层16反射(阻挡)，并且将积聚在自由层12中。最后， 自由层12的磁化变得与固定层16的磁化逆平行，并且MTJ器件10将处 于高阻状态。由电流I2引起的相应电子注入被称为次注入。

为了消除MRAM单元的寄生负载，当MRAM单元被集成到MRAM 阵列中时，选择器被用于将未被选择的MRAM单元与源线电隔离。例如， 图2示出了包括MTJ器件10和选择器20的MRAM单元，选择器20被字 线22所控制并连接在位线BL和源线SL之间。当MTJ器件10被选择用 于写入或读取时，字线22被设置为逻辑高，使得写入电流I可以通过MTJ 器件10。然而，选择器20的添加引起了每MRAM单元芯片面积的增加。 为了减小选择器20的芯片面积使用，选择器20通常较小。然而，这意味 着写入电流I被限制。

MRAM单元的写入与量子机制相关，并且成功写入的可能性与两个因 素相关，即，写入电流I和写入电流I的脉冲宽度。写入电流I越大和/或 写入脉冲越长，成功写入的可能性就越大。由于如图2所示的选择器限制 了写入电流I，所以必须增加脉冲宽度。然而，由于诸如写入电流变化、量 子机制和突然电源变化的因素，即使增加了脉冲宽度，在MRAM单元的写 入中仍然存在不确定性。结果，可以以相对较短的写入脉冲写入大多数 MRAM单元，而少量的MRAM单元要求更长的写入时间。为了确保在写 入中不发生失败，脉冲宽度必须足够大以确保即使要求最长脉冲的MRAM 单元也能够被成功写入。这意味着脉冲宽度将显著地大于大多数MRAM单 元所要求的脉冲宽度。因此，显著增加了写入时间。由此需要用于解决上 述问题的方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种写入磁阻随机存取存储器(MRAM)单 元的方法包括：提供写入脉冲以向MRAM单元写入值；以及在提供写入脉 冲的步骤之后立即检验MRAM单元的状态。在写入失败的情况下，将值重 写入MRAM单元。

根据本发明的另一方面，一种写入MRAM单元的方法包括：向第一 MRAM单元提供第一写入脉冲，其中，第一写入脉冲的预期一次写入可能 性小于100％；执行验证以检验第一MRAM单元的第一状态；以及提供第 二写入脉冲以重写第一MRAM单元。