存儲系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種存儲系統(tǒng)，用于基于脈沖讀取電流讀取在基于磁隧道結(jié)(MTJ)的存儲單元中存儲的邏輯值，利用脈沖之間的時間允許MTJ向著脈沖之間的磁化取向釋放，這可以降低MTJ中動量的積聚，并可以降低和/或消除無意的磁化定向的再排列。對稱和/或非對稱脈沖序列可以被施加到字線(WL)，使得預充電位線(BL)電容通過MTJ釋放脈沖讀取電流，導致在BL上的相應的電壓變化序列?？梢栽谧x取電流脈沖序列上對BL電壓變化進行積分，并且可以基于積分的電壓變化確定存儲的邏輯值。預充電BL電容還可以用作電壓積分器。
【專利說明】存儲系統(tǒng)
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及存儲系統(tǒng)，尤其涉及基于磁隧道結(jié)(MTJ)的存儲系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]自旋轉(zhuǎn)移矩是一種可以利用自旋極化電流來修改磁性層取向的效應。
[0003]電荷載體(例如電子)具有相對少量的內(nèi)稟角動量,被稱為自旋。非極化電流具有大約50%的自旋向上電子和50%的自旋向下電子。自旋極化電流具有更多的自旋向上電子或者自旋向下電子。通過將電流穿過磁性層，可以產(chǎn)生自旋極化電流。當自旋極化電流被引導入磁性層時，角動量可以被轉(zhuǎn)移到磁性層，這可能在磁性層中引起或者激發(fā)振蕩。在閾值以上，振蕩可能觸發(fā)磁性層的磁化方向的轉(zhuǎn)換。這種效應可能發(fā)生在納米級的設備中。
[0004]磁隧道結(jié)(MTJ)可以包括夾在第一和第二鐵磁(FM)層之間的氧化層，第一和第二鐵磁層也被分別稱為參考層和自由層。參考層可以具有固定的磁取向或者狀態(tài)，自由層可以具有可變的磁取向或者狀態(tài)。當參考層和自由層的磁性排列平行時，MTJ表現(xiàn)出相對低的電阻；當磁化為不平行(counter-parallel)時，MTJ表現(xiàn)出相對高的電阻。
[0005]MTJ可以被實施為非易失性存儲單元，其中數(shù)字邏輯值O和I與MTJ的相應的磁化排列狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。多個MTJ存儲單元可以被實施為自旋轉(zhuǎn)移矩隨機存取存儲器(STT-RAM)。
[0006]通過將寫入電流指向通過MTJ足以進行重寫或者翻轉(zhuǎn)MTJ的現(xiàn)有磁化排列，可以將邏輯值寫入到MTJ存儲單元。
[0007]可以基于存儲單元的電阻讀取存儲在MTJ存儲單元中的邏輯值，所述電阻可以基于流過存儲單元的讀取電流來確定。
[0008]讀取電流，或者讀取電流密度，應該小于將會重新取向或者重寫MTJ的現(xiàn)有磁化排列的臨界電流或者臨界電流密度。
[0009]然而，即使小的讀取電流也會確認MTJ的磁化取向上的轉(zhuǎn)矩。另外，MTJ可能遇到隨機熱感應轉(zhuǎn)矩，其隨著處理、電壓和/或溫度變動而變化。所有這些轉(zhuǎn)矩的總和可能會導致MTJ的磁化取向轉(zhuǎn)換或翻轉(zhuǎn)。當采用更高的讀取電流來減少讀取時間時，這可能還會更惡化。
[0010]可以在讀取操作之后采用回寫方案，來保證MTJ具有預期的磁化狀態(tài)。然而，如果讀取操作使得MTJ的磁化取向在讀取操作的早期就轉(zhuǎn)換或翻轉(zhuǎn)，那么讀取操作可以讀取或者感測錯誤的MTJ的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。
實用新型內(nèi)容
[0011]本實用新型要解決的技術(shù)問題是:即使小的讀取電流也會確認MTJ的磁化取向上的轉(zhuǎn)矩。另外，MTJ可能遇到隨機熱感應轉(zhuǎn)矩，其隨著處理、電壓和/或溫度變動而變化。所有這些轉(zhuǎn)矩的綜合可能會導致MTJ的磁化取向轉(zhuǎn)換或翻轉(zhuǎn)。當采用更高的讀取電流來減少讀取時間時，這可能還會更惡化。
[0012]為了解決上述問題，提供一種存儲系統(tǒng)，包括:磁隧道結(jié)，用于存儲作為磁化取向的邏輯值；控制器，用于在讀取操作期間向所述磁隧道結(jié)施加電脈沖序列；以及傳感器，用于基于所述讀取操作期間通過所述磁隧道結(jié)的總的電荷流來確定存儲的邏輯值。
[0013]利用這一技術(shù)方案，本實用新型能夠獲得下面的有益效果:本文公開的脈沖讀取控制可以減低或者消除MTJ中的動量的積聚，這可以減低干擾的可能性，或者減低磁化取向的無意的再排列的可能性。并且，脈沖讀取控制可以被實施為相對于持續(xù)讀取控制增加臨界電流密度容限，和/或允許較高的讀取電流。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是磁隧道結(jié)(MTJ)的框圖。
[0015]圖2是關(guān)于第一和第二磁取向狀態(tài)的MTJ的電阻對電壓的圖。
[0016]圖3是包括基于MTJ的非易失性存儲單元的存儲系統(tǒng)的電路圖。
[0017]圖4是基于具有在整個讀取時間連續(xù)有效的脈沖的讀取控制的MTJ的讀取操作的時序圖。
[0018]圖5是MTJ的讀取操作的時序圖，包括具有多個脈沖的讀取控制。
[0019]圖6是用于具有連續(xù)讀取電流的MTJ的磁化取向圖。
[0020]圖7是用于具有在多脈沖的每個期間間歇應用的讀取電流的MTJ的磁化取向圖。
[0021]圖8是用于MTJ的模擬磁化振蕩的圖，其中應用了連續(xù)讀取脈沖。
[0022]圖9是用于圖8的MTJ的模擬磁化振蕩的圖，其中應用了多個讀取脈沖。
[0023]圖10是MTJ讀取操作的時序圖，包括具有脈沖序列的讀取控制。
[0024]圖11是存儲系統(tǒng)的框圖，包括非易失性自旋轉(zhuǎn)移矩(SST)存儲單元的陣列。
[0025]圖12是基于脈沖讀取控制的讀取存儲于(MTJ)存儲單元中的邏輯值的方法的流程圖。
[0026]圖13是系統(tǒng)的框圖，其包括本文所公開的存儲系統(tǒng)、一個或多個處理器、通信系統(tǒng)1306以及用戶接口系統(tǒng)。
[0027]在附圖中，附圖標記最左邊的數(shù)字確定了該附圖標記首次出現(xiàn)的附圖。
【具體實施方式】
[0028]圖1是磁隧道結(jié)(MTJ) 100的框圖，包括氧化阻擋層104，例如MgO，位于第一鐵磁(FM)層102和第二鐵磁(FM)層106之間。
[0029]第一 FM層102可以具有固定的磁取向，并可以被稱為參考層。
[0030]第二 FM層106可以具有可變的磁取向，并可以被稱為自由層。
[0031]通過使驅(qū)動極化電流通過自由層106，可以改變自由層106的磁化取向或者方向。通過在節(jié)點108和110上施加電壓，可以提供電流，并且電流可以通過參考層106被極化。
[0032]例如，施加到節(jié)點108的正電壓可以使得自由層106的磁化取向被反向，或者與參考層102的磁化取向不平行，這將導致在節(jié)點108和110之間的相對高的電阻以及通過MTJ100的相對低的電流。
[0033]相反地，施加到節(jié)點110的正電壓可以導致自由層106的磁化取向與參考層102的磁化取向平行，這將在節(jié)點108和110之間產(chǎn)生相對低的電阻以及通過MTJ100的相對高的電流。[0034]圖2是關(guān)于第一和第二磁取向狀態(tài)的MTJ(例如，MTJ100)的電阻對電壓的圖200。
[0035]在圖200中，當自由層和參考層的磁化取向相互平行時，MTJ可以表現(xiàn)出相對低的電阻Rp ;當自由層和參考層的磁化取向不平行時，MTJ可以表現(xiàn)出相對高的電阻Rap。
[0036]MTJ的平行與不平行的排列狀態(tài)與邏輯狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。例如，平行排列或者低電阻可以與邏輯值O相關(guān)聯(lián)，而不平行排列或者高電阻可以與邏輯值I相關(guān)聯(lián)。然而，這里公開的方法和系統(tǒng)并不限于這些例子。
[0037]圖3是包括基于MTJ的非易失性存儲單元302的存儲系統(tǒng)300的電路圖。
[0038]存儲單元302包括MTJ304 (這里被示出為可變電阻器)以及存取晶體管306。存儲單元302可以被稱為一晶體管一電阻(ITlR)MTJ存儲單元，或者一晶體管一 MTJ (ITlJ)
存儲單元。
[0039]存儲系統(tǒng)300還包括預充電電路308，在讀取操作之前或者在讀取操作開始時，為MTJ304的第一節(jié)點310進行預充電。預充電電路308可以被實施為在預充電控制312的控制下，將節(jié)點310預充電到預充電電壓VPc;h。預充電可以被保持或者存儲在電容314中，其可以表示固有電容和/或裝配式電容器。電容314可以顯示預充電電壓，這可以是依賴于所施加的預充電量和電容大小。
[0040]存儲系統(tǒng)300可以包括評估控制器316，在評估控制322的控制下將MTJ100的第二節(jié)點318耦合到節(jié)點320。在圖3的例子中，節(jié)點320對應于地面。評估控制322可以在預充電控制308之前、之后或者同時被激活。
[0041]存儲系統(tǒng)300還包括控制器324，利用控制326來控制存取晶體管306。在節(jié)點310被預充電之后且同時節(jié)點318被耦合到節(jié)點320，在讀取操作期間，存儲系統(tǒng)300可以被實施為導通存取晶體管306。
[0042]當存取晶體管306被導通時，預充電可以通過MTJ304從節(jié)點310流到節(jié)點320。流經(jīng)MTJ304的電荷量可以依賴于MTJ304的電阻，而如上所述所述電阻可以依賴于MTJ304的自由層的磁化取向。流經(jīng)MTJ304的電荷量還可以依賴于存取晶體管306被導通的時間量和/或節(jié)點310處的預充電電壓。
[0043]存儲系統(tǒng)300可以包括傳感器328，以基于通過MTJ304的電荷流確定存儲在MTJ304中的邏輯值。例如，當存取晶體管306被導通時，通過MTJ304從電容器BL310流到節(jié)點320的任何電荷將減少在節(jié)點310的電荷和相應電壓。在這個例子中，傳感器328可以包括電壓傳感器以感測BL310的電壓。電壓傳感器可以被實施為將節(jié)點310的電壓與參考電壓進行比較。
[0044]傳感器328可以被實施為依賴于流經(jīng)MTJ100的電荷量將讀取值RDqut輸出為邏輯值O或1，該電荷量可以基于如上所述的節(jié)點310處的電壓來確定。傳感器328可以被實施為響應于sense_out控制330來確定和/或輸出RDQUT。
[0045]在讀取操作期間，控制器324可以被實施為導通存取晶體管306達預定時間量，該時間量被稱為讀取時間RT，例如圖4、6和8中所示的?？商娲?，控制器324可以被實施為間歇性地斷開和導通存取晶體管306，如圖5、7和9所示的。
[0046]圖4是MTJ的讀取操作402的時序圖，包括具有在整個讀取時間RT406持續(xù)有效的脈沖404的讀取控制426。圖4還包括預充電控制412、評估控制422、以及sense_out控制430,例如以上參考圖3所示的。[0047]圖5是MTJ的讀取操作502的時序圖，包括具有在相應讀取時間RT-1到RT-j期間有效的多個脈沖504的讀取控制526，合計讀取時間為:
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【權(quán)利要求】
1.一種存儲系統(tǒng)，包括: 磁隧道結(jié)，用于存儲作為磁化取向的邏輯值； 控制器，用于在讀取操作期間向所述磁隧道結(jié)施加電脈沖序列；以及 傳感器，用于基于所述讀取操作期間通過所述磁隧道結(jié)的總的電荷流來確定存儲的邏輯值。
2.如權(quán)利要求1所述的存儲系統(tǒng)，其中: 所述磁隧道結(jié)是布置成非易失性存儲單元陣列的多個磁隧道結(jié)中的一個； 所述控制器被配置為在讀取操作期間向所述陣列的字線施加電讀取脈沖序列，并在電脈沖之間提供時間，以允許所述字線的磁隧道結(jié)向著所述電脈沖之間的相應磁化取向釋放；以及 所述傳感器是多個位線傳感器之一，每個所述位線傳感器用于基于所述讀取操作期間通過相應一個字線磁隧道結(jié)的總的電荷流來確定在該相應磁隧道結(jié)中存儲的邏輯值。
3.如權(quán)利要求1所述的存儲系統(tǒng)，其中所述控制器被配置為在所述電脈沖之間提供時間，以允許所述磁隧道結(jié)向著所述電脈沖之間的磁化取向釋放。
4.如權(quán)利要求3所述的存儲系統(tǒng)，還包括: 積分器，用于在所述讀取操作期間對通過所述磁隧道結(jié)的電荷流進行積分； 其中，所述傳感器被實施為基于積分的電荷流確定存儲的邏輯值。
5.如權(quán)利要求4所述的存儲系統(tǒng)，其中: 所述積分器包括預充電電容結(jié)構(gòu)，用于響應于所述電脈沖序列，對至少一部分預充電電壓進行放電以作為通過所述磁隧道結(jié)的脈沖讀取電流；以及 所述傳感器包括電壓傳感器，以在讀取操作結(jié)束時基于剩余的預充電電壓來確定存儲的邏輯值。
6.如權(quán)利要求5所述的存儲系統(tǒng)，其中所述電容結(jié)構(gòu)包括集成電路路徑的固有電容。
7.如權(quán)利要求3所述的存儲系統(tǒng)，還包括存取設備，其中: 所述磁隧道結(jié)的第一節(jié)點被耦合到位線；以及 所述存取設備被實施為可控制地將所述磁隧道結(jié)的第二節(jié)點耦合到源線； 所述控制器被實施為在讀取操作期間對所述位線進行預充電、將源線耦合到地面、以電脈沖序列控制所述存取設備，以提供從預充電位線通過所述磁隧道結(jié)的脈沖讀取電流；以及 所述傳感器包括電壓傳感器，所述電壓傳感器用于在讀取操作結(jié)束時感測位線的電壓。
8.如權(quán)利要求1到7的任意一個所述的存儲系統(tǒng)，其中所述控制器被實施為生成電脈沖序列，作為具有實際相似的幅度和持續(xù)時間的對稱電脈沖序列。
9.如權(quán)利要求1到7的任意一個所述的存儲系統(tǒng)，其中所述控制器被實施為生成電脈沖序列，以包括一個或多個脈沖，其中所述一個或多個脈沖的幅度和持續(xù)時間中的一個或多個與電脈沖中的另一個的不同。
10.如權(quán)利要求1到7的任意一個所述的存儲系統(tǒng)，其中所述控制器被實施為生成電脈沖序列，以提供通過所述磁隧道結(jié)的連續(xù)減小的電流。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的存儲系統(tǒng)，其中所述控制器被實施為生成具有連續(xù)減小的幅度的電脈沖序列。
12.如 權(quán)利要求10所述的存儲系統(tǒng)，其中所述控制器被實施為生成具有連續(xù)減小的脈沖持續(xù)時間的電脈沖序列。
【文檔編號】G11C16/06GK203573660SQ201320228713
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月25日
【發(fā)明者】A·雷什歐迪伊, D·肯克, B·多伊爾, C·郭, J·查漢茨, F·哈姆扎奧盧, 王奕, R·戈利扎德莫亞拉德 申請人:英特爾公司