[发明专利]提供自旋转移矩随机存取存储器的层级数据路径的方法和系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年9月11日提交的临时专利申请No.61/241,856以及于2009年9月23日提交的非临时专利申请No.12/565,273的权益，两件申请均转让给本申请的受让人，并且通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及磁存储器。

背景技术

自旋矩转移磁随机存取存储器(Spin Torque Transfer Magnetic Random Access Memory)，STT-RAM，是第二代MRAM技术，其能够提供第一代MRAM的好处而没有较弱的可缩放性和较高的写电流的缺点。传统的STT-RAM被期望组合SRAM的快速读和写速度、DRAM的容量和成本的好处、以及闪存的非易失性(零待机电力)，外加实质上无限的持久性(例如，大于10¹⁵个周期)。如下所述，STT-RAM使用双向(bi-directional)电流来写数据。可以在没有磁场、热、或者其它能量源的条件下执行这样的写操作。因此，STT-RAM可能具有新兴存储器技术中最低的写能量。

例如，图1-3描绘了传统自旋转移矩磁随机存取存储器(spin transfer torque magnetic random access memory，STT-RAM)的部分。图1描绘了包括存储单元10的STT-RAM 1的一小部分。图2描绘了位线感测机制(sensing scheme)，而图3描绘了结合存储器1使用的公共源极放大器50。传统STT-RAM 1利用自旋转移作为切换磁存储单元的状态的机制(mechanism)。传统STT-RAM 1包括传统磁存储单元10，传统磁存储单元10包括磁元件12和选择器件14。选择器件14通常是诸如NMOS晶体管这样的晶体管，并且包括漏极11、源极13、以及栅极15。还描绘了字线16、位线18、以及源极线20。字线16的方向垂直于位线18。源极线20典型地要么并行于位线18要么垂直于位线18，取决于用于传统STT-RAM 1的具体架构。位线18连接到磁元件12，源极线20连接到选择器件14的源极13。字线16连接到栅极15。

传统STT-RAM 1通过单元10驱动双向电流来对磁存储单元10进行编程。具体来说，磁元件12被配置为根据流经传统磁元件12的电流而在高阻态(resistance)和低阻态之间可变。例如，磁元件12可以是磁沟道结(magnetic tunneling junction，MTJ)或者可以使用自旋转移效应来写入的其它磁结构。典型地，这通过保证磁元件12具有这样的特征来实现：例如，足够小的横截面区域(cross-sectional area)以及使用自旋转移效应切换所想要的其它特征。当电流密度足够大时，通过磁元件12驱动的电流载波(current carriers)可以给予足够的扭矩来改变磁元件12的状态。当在一个方向上驱动写电流时，状态可以从低阻态变化到高阻态。当写电流在相反方向上通过磁元件12时，状态可以从高阻态变化到低阻态。

在写操作期间，字线16为高，并且接通选择器件14。写电流要么从位线18流向源极线20，要么方向相反，取决于将写到磁存储单元10的状态。在读操作期间，列解码器22选择期望的位线18。行解码器(图2中未示出)还启用适当的字线16。由此，字线16为高，启用选择器件14。从而，读电流从位线18流向源极线20。除了流经正在读的单元的读电流(图2中的I_data)之外，还通过参考电阻器Rref0和Rref1驱动参考电流。输出信号被提供给感测放大器，诸如图3中所示的传统感测放大器50。

因为由通过磁元件12驱动的电流对磁元件12进行编程，所以传统STT-RAM 1会具有较好的单元可缩放性以及低的写电流，而不会受到对邻近存储单元的写干扰问题，并且对于高存储密度具有较小的单元大小。

尽管传统STT-RAM 1起作用，但是本领域普通技术人员将容易地看到，仍然期望改善STT-RAM 1。更具体地说，期望提供可缩放且具有足够快的存取时间的STT-RAM以开发为下一代非易失性存储器。

发明内容