[發明專利]寫入驅動器電路和寫入自旋矩MRAM的方法

有效

• 申請號: 201280065461.6
• 申請日: 2012-11-19
• 公開（公告）號: CN104115228B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: S·M·阿拉姆;T·安德烈
• 申請（專利權）人: 艾沃思賓技術公司
• 主分類號: G11C7/00
• 分類號: G11C7/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038
• 代理人: 劉倜

本申請要求于2011年11月17日提交的申請號為61/561,139的美國臨時申請的優先權。

技術領域

此處描述的示例實施例一般涉及寫入自旋矩MRAM，并且更具體地，涉及當向自旋矩MRAM寫入時，在增加抗電源噪聲能力的同時減少泄漏電流。

背景技術

磁電子器件、自旋電子器件以及spintronic器件是利用主要由電子自旋引起的效應的器件的同義術語。磁電子技術用在許多信息裝置中來提供非易失性的、穩定的、抗輻射的及高密度的數據存儲和取回。許多磁電子信息器件包括，但不限于，磁電阻隨機存取存儲器(MRAM)、磁傳感器以及盤驅動器的讀/寫頭。

通常，MRAM包括磁電阻存儲元件的陣列。每一個磁電阻存儲元件通常具有包括由不同非磁性層分隔的多個磁性層的結構，例如磁隧道結(MTJ)，并呈現隨器件的磁性狀態而定的電阻。信息被存儲為磁性層中的磁化矢量的方向。在一個磁性層中的磁化矢量是磁固定的或釘扎的，而另一個磁性層中的磁化方向可以在相同方向和相反方向(其分別被稱為“平行”狀態和“反平行”狀態)之間自由切換。對應于平行磁狀態和反平行磁狀態，磁存儲器元件分別具有低(邏輯“0”狀態)和高(邏輯“1”狀態)電阻狀態。因此，電阻的檢測允許磁電阻存儲元件(例如，MTJ器件)提供存儲在磁存儲元件中的信息。

存在兩種完全不同的方法用于對自由層編程：場切換和自旋矩切換。在場切換MRAM中，使用與MTJ比特鄰近的電流承載線產生作用在自由層上的磁場。在自旋矩MRAM中，利用通過MTJ本身的電流脈沖實現切換。由自旋極化的隧穿電流承載的角動量引起自由層的反轉，最終的狀態(平行或反平行)由電流脈沖的極性確定。復位電流脈沖將使得最終狀態為平行或邏輯“0”。置位電流脈沖(處于與復位電流脈沖相反的極性)將使得最終狀態為反平行或邏輯“1”。已知在被構圖或以其它方式布置為使得電流基本上與界面垂直地流動的巨磁電阻器件和MTJ器件中出現自旋矩轉移(spin-torque transfer)，以及在當電流基本上垂直于疇壁流動時，在簡單的線狀結構中出現自旋矩轉移。呈現磁電阻的任何這樣的結構具有成為自旋矩磁電阻存儲元件的可能。

自旋矩MRAM(ST-MRAM)(也稱為自旋轉移矩RAM(STT-RAM)由于具有無限持久性的非易失性和在比場切換MRAM高得多的密度下的快的寫入速度而成為具有潛力的新興存儲技術。由于對ST-MRAM切換電流的要求隨著MTJ尺度的降低而降低，因此ST-MRAM具有甚至在最先進的技術節點也可以良好地縮放的潛力。然而，MTJ電阻的增加的變化性以及維持在兩個電流方向上的相對高的通過比特單元選擇器件的切換電流，會限制ST-MRAM的縮放性。寫入電流通常在一個方向上比在另一個方向上高，所以選擇器件需能夠通過兩個電流中較大的。另外，對ST-MRAM切換電流的要求隨著寫入電流脈沖持續時間的減少而增加。因此，最小ST-MRAM比特單元方法可能需要相對長的切換時間。

編程自旋矩MRAM的傳統方案是對存儲器單元施加單一電流或電壓脈沖以反轉其存儲層的方向。脈沖的持續時間由設計要求(例如，存儲器接口規范)設定。通常，寫入操作需在小于50ns內完成。將寫入電壓幅度設置為滿足存儲器寫入錯誤率(WER)和壽命要求。其必須大于特定的值Vw，以確保以低于規定的值WER₀的錯誤率可靠地編程所有的比特(位)。對于兆比特存儲器，WER₀通常小于10^-8。寫入電壓幅度還須足夠低以確保長期的器件完整性。對于磁隧道結，由于電介質擊穿，升高的寫入電壓降低了存儲器的壽命。在某些情況下，不能找到滿足期望的寫入錯誤率WER₀和所需的壽命的寫入電壓。已知的改善寫入錯誤率的方法是加一個或數個錯誤校正層或使用多個寫入脈沖。

ST-MRAM陣列包括多個核心帶(core strip)，每一個核心帶包括包含多列比特單元(磁隧道結和字線選擇晶體管)的比特單元陣列。在ST-MRAM比特單元列中，通過在字線選擇晶體管的柵極(控制電極)處的正電壓僅選擇一行以用于寫入。然而，該列中所有的未選擇的字線選擇晶體管貢獻了寫入驅動器必然提供的亞閾值(關斷泄露(off leakage))電流。該亞閾值泄露增加了寫操作期間的總功耗，當對于給定的比特單元區域使用低閾值電壓字線晶體管以最大化寫入電流時，其可以是如寫入電流的25％那樣高。因此，當向自旋矩MRAM寫入時，需要降低泄露電流。