[发明专利]伪页面模式存储器架构和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及于2010年7月12日提交的发明名称为“NON-VOLATILE STATIC RAM CELL CIRCUIT AND TIMING METHOD”的共同转让的美国申请第61/363,576号、于2010年6月7日提交的发明名称为“MULTI-SUPPLY SYMMETRIC DRIVER CIRCUIT AND TIMING METHOD”的共同转让的美国申请第61/352,306号、于2009年9月11日提交的发明名称为“DIFFERENTIAL READ AND WRITE ARCHITECTURE”的共同转让的美国申请第12/558,451号以及于2009年8月19日提交的发明名称为“DYNAMIC MULTISTATE MEMORY WRITE DRIVER”的美国申请第12/544,189号，它们的内容通过全文引用合并于此。

技术领域

本发明涉及存储器集成电路，更具体地，涉及非易失性静态随机访问存储器。

背景技术

半导体存储器件已经广泛地在电子系统中使用以用于存储数据。通常存在两种类型的半导体存储器，包括非易失性存储器件和易失性存储器件。诸如静态随机访问存储器(SRAM)或动态随机访问存储器(DRAM)器件的易失性存储器件在关断对其供电时丢失数据。相反，诸如快闪可擦除可编程只读存储器(Flash EPROM)或磁性随机访问存储器(MRAM)的非易失性半导体存储器件即使在关断供电后仍能保留其电荷。因此，在不能接受由于电源故障或终止而丢失数据的场合，使用非易失性存储器来存储数据。

图1A是形成自旋转移矩(spin transfer torque，STT)MRAM单元时使用的磁性隧道结(magnetic tunneljunction，MTJ)的简化截面图。MTJ 10被图示为部分地包括参考层12、隧穿层14和自由层16。参考层12和自由层16是铁磁性层。隧道层(tunneling layer)14是非磁性层。参考层12的磁化方向是固定的并且不改变。然而，通过使足够大的电流流过MTJ结构，可以改变自由层16的磁化方向。在图1A中，假定参考层12和自由层16具有相同的磁化方向，即，它们处于平行状态。在图1B中，假定参考层12和自由层16具有相反的磁化方向，即，它们处于逆平行(anti-parallel)状态。在图1C中，假定参考层12和自由层16具有相同的磁化方向，该磁化方向垂直于自由层16和隧道层14的分界面所定义的平面。在图1D中，假定参考层12和自由层16具有相反的磁化方向，且所述磁化方向垂直于自由层16和隧道层14的分界面所定义的平面。

为从图1A示出的平行状态转换到图1B示出的逆平行状态，使参考层12的电压电势相对于自由层16增大。该电压差导致自旋极化电子从自由层16流向参考层12，从而转移它们的角动量并将自由层16的磁化方向改变为图1B所示的逆平行状态。为了从逆平行状态转换到平行状态，使自由层16的电压电势相对于参考层12增大。该电压差导致自旋极化电子从参考层12流向自由层16，从而转移它们的角动量并将自由层16的磁化方向变为图1A所示的平行状态。

为了从平行状态转换到非平行状态或相反，施加到MTJ 10的电压以及对应的流过MTJ的电流必须大于相应的一对阈值。为了使所述转换发生而必须超过阈值电压的电压也称为转换电压V_c。同样地，为了发生所述转换而必须超过阈值电流的电流称为转换电流I_c。众所周知，当自由层16和参考层12具有相同的磁化方向(平行状态)时，MTJ 10具有相对低的电阻。相反，当自由层16和参考层12具有相反的磁化方向(逆平行状态)时，MTJ 10具有相对高的电阻。由于MTJ的物理特性，将MTJ从平行状态改变到逆平行状态所需的临界电流通常大于将MTJ从逆平行状态改变到平行状态所需的临界电流。

图2A示出了MTJ 10和关联的选择晶体管20，它们一起形成了STT-MRAM单元30。晶体管20通常是NMOS晶体管，因为与PMOS晶体管相比，其固有地具有较高的电流驱动、较低的阈值电压以及较小的面积。如下面将进一步描述的，用于在MRAM 30中写入“1”的电流不同于用于写入“0”的电流。这两种写入情况期间电流流动方向的不对称性是由晶体管20的栅极到源极电压的不对称性所导致的。因此，适配为输送充足的电流以写入“0”的写入驱动电路可能无法提供足够的电流来写入“1”。类似地，适配为输送充足的电流以写入“1”的写入驱动器电路可能会输送与可接受的写入“0”的电流电平相比较大的电流。