[发明专利]自旋转移力矩磁阻随机存取存储器及设计方法

说明书

根据35U.S.C§119主张优先权

本专利申请案主张对2007年4月5日提出申请且名称为“SPIN TRANSFER TORQUE MAGNETORESISTIVE RANDOM ACCESS MEMORY WITH REDUCED READ VOLTAGE(具有减小的读取电压的自旋转移力矩磁阻随机存取存储器)”的 第60/910,255号临时申请案的优先权，且所述临时申请案受让与本专利申请案之受让 人且由此以引用方式明确地并入本文中。

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随机存取存储器(STT-MRAM)中的存储器设计。

背景技术

随机存取存储器(RAM)是具有现代数字架构的普遍组件。RAM可以是独立装 置或可以集成或嵌入到使用RAM的装置中，例如微处理器、微控制器、专用集成电 路(ASIC)、芯片上系统(SoC)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在每当移除电力时就会损失其所存储的 信息。非易失性RAM甚至在从存储器移除电力时还可维持其存储内容。尽管非易失 性RAM具有在不施加电力的情形下维持其内容的能力方面的优点，但常规非易失性 RAM比易失性RAM具有慢的读取/写入时间。

磁阻随机存取存储器(MRAM)是具有可与易失性存储器相匹敌的响应(读取/ 写入)时间的非易失性存储器技术。与将数据存储为电荷或电流的常规RAM技术相 比，MRAM使用磁性元件。如图1A及1B中所图解说明，磁性隧道结(MTJ)存储 元件100可由通过绝缘(隧道势垒)层120分离的两个磁性层110及130形成，所述 两个磁性层中的每一者均可保持磁场。将两个层中的一者(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自由地改变以匹配可施加的外 部场的极性。自由层130的极性132的改变将改变MTJ存储元件100的电阻。例如， 当极性对准时，出现低电阻状态(图1A)。当极性不对准时，就会出现高电阻状态(图 1B)。已简化对MTJ 100的图解说明且所属领域的技术人员将了解，如此项技术中已 知，所图解说明的每一层可包括一个或一个以上材料层。

参考图2A，针对读取操作图解说明常规MRAM的存储器单元200。单元200包 含晶体管210、位线220、数字线230及字线240。可通过测量MTJ 100的电阻来读取 单元200。例如，可通过激活相关联的晶体管210来选择特定MTJ 100，所述相关联 晶体管210可通过MTJ 100切换来自位线220的电流。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，如以上所论述。 任一特定MTJ 100内的电阻均可由电流来确定，所述电阻是由自由层的极性产生的。 按常规，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，那么电阻为高且读取“1”。

参考图2B，针对写入操作图解说明常规MRAM的存储器单元200。MRAM的写 入操作是磁性操作。因此，在写入操作期间，晶体管210是关断的。电流传播通过位 线220及数字线230以建立磁场250及260，所述磁场可影响MTJ 100的自由层的极 性且因此单元200的逻辑状态。因此，可将数据写入到MTJ 100并存储于其中。

MRAM具有若干所期望的特性使其成为普遍存储器的候选者，例如高速度、高 密度(即，小的位单元大小)、低功率消耗及不随时间降级。然而，MRAM具有可缩 放性问题。具体来说，随着位单元变得越来越小，用于切换存储器状态的磁场增加。 因此，电流密度及功率消耗增加以提供较高的磁场，因此限制MRAM的可缩放性。