用于自旋转移力矩磁阻随机存取存储器中的读取操作的接地电平预充电位线方案制造技术

本发明专利技术揭示用于自旋转移力矩磁阻随机存取存储器（ＳＴＴ－ＭＲＡＭ）中的读取操作的系统、电路和方法。提供多个位单元，其每一者耦合到多个位线、字线和源极线中之一。对应于所述多个位线中之一的多个预充电晶体管经配置以在读取操作之前将所述位线放电到接地。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施例涉及随机存取存储器(RAM)。更具体来说，本专利技术的实施例涉及自 旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)中的读取操作。
技术介绍
随机存取存储器(RAM)是现代数字结构的普遍存在的组件。RAM可以是独立的装 置，或者可集成或嵌入在使用RAM的装置内，所述装置例如为微处理器、微控制器、专用集 成电路(ASIC)、芯片上系统(SoC)以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只要在电力被移除时便会丢失其存储的信息。 非易失性RAM即使在电力被从存储器移除时也可维持其存储器内容。虽然非易失性RAM在 不被供应电力的情况下维持其内容的能力方面具有优点，但常规非易失性RAM具有比易失 性RAM慢的读取/写入时间。磁阻随机存取存储器(MRAM)是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。与在电荷或电流流动时存储数据的常规RAM技术相比，MRAM 使用磁性元件。如图1A和1B中说明，磁性隧道结(MTJ)存储元件100可由由绝缘(隧道 势垒)层120分离的两个磁性层110和130形成，每一磁性层可保持一磁场。所述两个层 中之一(例如，固定层110)被设定为特定极性。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的改变将使MTJ存储元 件100的电阻改变。举例来说，当极性对准时(图1A)，存在低电阻状态。当极性未对准时 (图1B)，则存在高电阻状态。MTJ 100的图解已被简化，且所属领域的技术人员将了解，所 说明的每一层可包括一个或一个以上材料层，如此项技术中已知。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包含晶体管 210、位线220、数字线230和字线240。可通过测量MTJ 100的电阻来读取单元200。举例 来说，可通过激活相关联的晶体管210来选择特定MTJ 100，所述晶体管210可切换来自穿 过MTJ 100的位线220的电流。由于隧道磁阻效应，MTJ 100的电阻基于所述两个磁性层 (例如，110、130)中的极性的定向而改变，如上文论述。任何特定MTJ 100内的电阻均可根 据由自由层的极性引起的电流来确定。常规上，如果固定层110和自由层130具有相同极 性，那么电阻为低，且读取“0”。如果固定层110和自由层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的写入操作是磁 性操作。因此，晶体管210在写入操作期间断开。电流传播经过位线220和数字线230以 建立磁场250和260，所述磁场可影响MTJ 100的自由层的极性，且因此影响单元200的逻 辑状态。因此，数据可写入到MTJ 100且存储在其中。MRAM具有若干使得其成为通用存储器的候选者的合意特性，例如高速度、高密度 (即，小的位单元大小)、低功率消耗和不会随着时间而降级。然而，MRAM具有可缩放性问题。具体来说，随着位单元变得较小，用于切换存储器状态的磁场增加。因此，电流密度和 功率消耗增加以提供较高的磁场，因此限制了 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)使用电子，在电 子穿过薄膜(自旋过滤器)时所述电子变为经自旋极化。STT-MRAM也称为自旋转移力矩 RAM(STT-RAM)、自旋力矩转移磁化切换RAM(Spin-RAM)和自旋动量转移(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，如上文中论 述。如图3A中说明，STT-MRAM位单元300包含MTJ305、晶体管310、位线320和字线330。 晶体管310被接通以用于读取和写入操作两者，以允许电流流过MTJ 305，使得可读取或写 入逻辑状态。参看图3B，说明STT-MRAM单元301的更详细的图以用于对读取/写入操作进行进 一步论述。除了先前论述的例如MTJ 305、晶体管310、位线320和字线330等元件外，还说 明源极线340、读出放大器350、读取/写入电路360和位线参考370。如上文论述，STT-MRAM 中的写入操作是电的。读取/写入电路360在位线320与源极线340之间产生写入电压。 依据位线320与源极线340之间的电压的极性，MTJ 305的自由层的极性可改变，且相应地 逻辑状态可写入到单元301。同样，在读取操作期间，产生读取电流，其经由MTJ 305在位 线320与源极线340之间流动。当准许电流流经晶体管310时，可基于位线320与源极线 340之间的电压差来确定MTJ 305的电阻(逻辑状态)，所述电压差与参考370进行比较且 随后由读出放大器350放大。所属领域的技术人员将了解，存储器单元301的操作和构造 是此项技术中已知的。例如在M·西美(MHosomi)等人的“具有自旋转移力矩磁阻磁化切 换的新颖的非易失性存储器Spin-RAM(A NovelNonvolatile Memory with Spin Transfer Torque Magnetoresistive Magnetization Switching :Spin_RAM)，，(IEDM会议会干lj，2005) 中提供额外细节，所述文章的全文以引用的方式并入本文中。STT-MRAM的电写入操作消除了由于MRAM中的磁性写入操作而带来的按比例缩放 问题。此外，电路设计对于STT-MRAM较不复杂。然而，因为读取和写入操作两者都是通过 使电流通过MTJ 305而执行的，所以存在读取操作干扰存储在MTJ 305中的数据的可能性。 举例来说，如果读取电流在量值上类似于或大于写入电流阈值，那么存在读取操作可能干 扰MTJ 305的逻辑状态且因此使存储器的完整性降级的很大可能性。
技术实现思路
本专利技术的示范性实施例是针对用于STT-MRAM中的读取操作的系统、电路和方法。因此，本专利技术的一实施例可包含一种自旋转移力矩磁阻随机存取存储器 (STT-MRAM)阵列，所述STT-MRAM阵列包括多个位单元，其每一者耦合到多个位线、字线和 源极线中之一；以及多个预充电晶体管，其每一者对应于所述多个位线中之一，其中所述预 充电晶体管经配置以在读取操作之前将所述位线放电到接地。本专利技术的另一实施例可包含一种自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM) 阵列，所述STT-MRAM阵列包括多个位单元，其每一者耦合到多个位线、字线和源极线中之 一；读取多路复用器，其经配置以选择所述多个位线中之一；以及预充电晶体管，其耦合到 所述读取多路复用器的输出，其中所述预充电晶体管经配置以在读取操作之前将所述选定位线放电到接地。本专利技术的另一实施例可包含一种用于读取自旋转移力矩磁阻随机存取存储器 (STT-MRAM)中的存储器的方法，其包括在读取操作之前将至少选定位线放电到接地电 位；选择所述选定位线上的位单元；以及在所述读取操作期间读取所述位单元的值。附图说明 呈现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自旋转移力矩磁阻随机存取存储器（ＳＴＴ－ＭＲＡＭ）阵列，其包括：多个位单元，其每一者耦合到多个位线、字线和源极线中之一；以及多个预充电晶体管，其每一者对应于所述多个位线中之一，其中所述预充电晶体管经配置以在读取操作之前将所述位线放电到接地。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-10-17 11/873,684一种自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)阵列，其包括多个位单元，其每一者耦合到多个位线、字线和源极线中之一；以及多个预充电晶体管，其每一者对应于所述多个位线中之一，其中所述预充电晶体管经配置以在读取操作之前将所述位线放电到接地。2.根据权利要求1所述的STT-MRAM阵列，其中所述预充电晶体管是NM0S晶体管。3.根据权利要求1所述的STT-MRAM阵列，其中每一位单元包括 存储元件；以及字线晶体管，其耦合到所述存储元件。4.根据权利要求3所述的STT-MRAM阵列，其中所述存储元件是磁性隧道结(MTJ)且其 中所述字线晶体管与所述MTJ串联耦合。5.根据权利要求1所述的STT-MRAM阵列，其进一步包括读出放大器，其具有耦合到电流源的第一输入和耦合到位线参考的第二输入；以及 多个读取多路复用器，其中每一读取多路复用器对应于所述位线中之一，且经配置以 选择性地将所对应的所述位线中之一耦合到所述读出放大器的所述第一输入。6.一种自旋转移力矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)阵列，其包括 多个位单元，其每一者耦合到多个位线、字线和源极线中之一； 读取多路复用器，其经配置以选择所述多个位线中之一；以及预充电晶体管，其耦合到所述读取多路复用器的输出，其中所述预充电晶体管经配置 以在读取操作之前将所述选定位线放电到接地。7.根据权利要求6所述的STT-MRAM阵列，其中所述预充电晶体管是NM0S晶体管。8.根据权利要求6所述的STT-MRAM阵列，其中每一位单元包括 存储元件；以及字线晶体管，其耦合到所述存储元件。...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨赛森，升H康，
申请(专利权)人：高通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]