CN102568579B - 对地址不对称nvm单元具有增强的效率的非易失性存储器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对地址不对称NVM单元具有增强的效率的非易失性存储器。本申请描述了利用PMOS晶体管作为存取晶体管的MRAM单元的实施例。MRAM单元被配置为减轻施加不对称电流负荷以使MRAM单元的磁性隧道结在磁阻状态之间转变的效果。

Description

对地址不对称NVM单元具有增强的效率的非易失性存储器

背景技术

非易失性存储器（NVM）单元在没有接收到恒定或者持久电源的情况下对存储的信息进行保持。对于不需要或者不向单元提供恒定功率的电子系统而言，NVM单元可以提供很大的功率节省。用于电子系统的初始化时间也可以经由NVM而减小。例如，在NVM中存储的指令准备执行并且不需要在初始化过程期间重新创建或者重新加载。

NVM单元通常以数字格式来存储信息。例如，NVM单元将信息存储为0或者1。因此，NVM单元通常在反映数字格式的第一状态和第二状态之间转换。所述状态可以包括电荷状态（例如，闪速存储器）或者磁性状态（例如，自旋力矩转移磁阻式随机存取存储器（STT-RAM））。

通常，STT-MRAM单元包括充当用于信息位的存储结构的磁性隧道结（MTJ）。使用向MTJ提供驱动电流的NMOS晶体管，MTJ在不同状态之间进行转换，其中所述驱动电流改变在MTJ部分内的电子的自旋，使得STT-MRAM单元可以在没有恒定或者持久电源的扩展时段内以至少两个不同的磁阻状态存在。例如，第一状态可以是0状态，并且第二状态是1状态，使得每个状态都可以被读取作为数字位。为将MTJ在两个状态之间转变而所需要的驱动电流量可以是不对称的。简言之，用来将MTJ从第二状态转变回为第一状态的驱动电流相比，更大的驱动电流可以用来将MTJ从第一状态转变为第二状态。

在NMOS晶体管MRAM单元中，较高的电流状态将MTJ和NMOS晶体管置于非最优操作条件。例如，较高的电流状态可以影响MTJ的可靠性，并且它使NMOS晶体管经历更高的体效应。因此，两个组件都同时在次最优状态或者条件下操作。较高的电流要求也指定了NMOS晶体管的尺寸并且限制了MRAM单元到更小几何形状的可缩放性。

发明内容

提供本发明内容以介绍用来实现自旋转移力矩磁阻式随机存取存储器（STT-MRAM）单元的装置和方法的简化概念。下面在具体实施方式中对装置和系统进行更加详细的描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的必要特征，也不旨在用于确定所要求保护的主题的范围。

STT-MRAM单元是NVM的类型，其使用磁性特性的材料以在不同的磁阻状态之间转换。STT-MRAM包括耦合到存取晶体管或者与存取晶体管进行电通信的磁性隧道结。MTJ包括磁性材料，其使得MTJ能够在两个不同的磁阻状态之间转换。存取晶体管提供驱动电流，其使得MTJ能够在两个状态之间转换。使用PMOS或者p型晶体管作为存取晶体管减小了用于在两个不同的磁阻状态之间转变的驱动电流不对称量。

附图说明

将参考附图来阐述具体实施方式。在附图中，参考标号最左边的（一个或多个）数字标识参考标号首次出现于其中的附图。在不同附图中的相同参考标号的使用指示类似或者相同的项目。

图1是表示根据一个实施例的MRAM单元的示意图和MRAM装置的说明。

图2是表示根据一个实施例的MRAM单元的示意图。

图3是表示根据在此描述的方法正向MRAM单元写入的示意图。

图4是表示合并到衬底中的MRAM单元的说明。

图5是在此描述的方法的流程图。

具体实施方式

概述

本公开涉及一种STT-MRAM单元，其合并了PMOS或者p型晶体管作为存取晶体管以控制提供给STT-MRAM单元的MTJ或者磁性存储组件的驱动电流。MTJ基于由PMOS晶体管提供的驱动电流来在两个磁阻状态之间转换。在一个示例中，MTJ需要比从第一状态转变为第二状态所需的电流量更高的电流电平以从第一状态转变为第二状态。

在较高的电流状态或者转变下，由于可能对MTJ造成损害的较高的电流电平，MTJ在次最优条件下操作。然而，在较高的电流条件下的PMOS晶体管最低限度地受体效应影响，其依赖于在晶体管源极和衬底之间的电压差。因此，在MTJ的较高的电流转变期间，PMOS晶体管以最优状态或者条件操作。

在较低的电流状态或者转变下，MTJ以更加最优的条件操作于可能对MTJ造成损害的较低电流电平。但是，在该示例下，与它在较高的电流状态下操作时相比，体效应对PMOS晶体管具有更大的影响。因此，PMOS晶体管在MTJ的较低电流转变期间以次最优状态或者条件进行操作。

简言之，通过未使得MRAM单元的组件（MTJ与PMOS晶体管）能够同时以次最优条件进行操作，使用PMOS晶体管代替NMOS晶体管作为MRAM单元中的存取晶体管允许MRAM单元以更加最优的方式运行。

示例STT-MRAM单元

图1是在封装中包装的代表性MRAM装置100的说明，所述封装可以被合并到可以向使用存储器的任何电子装置中合并的印刷电路板（未示出）中。MRAM单元102是MRAM装置100的个别单元的示意性表示。MRAM装置100可以包括数百万个MRAM单元102。在一个实施例中，MRAM单元102包括磁性隧道结104，其耦合到PMOS晶体管106或者与PMOS晶体管106进行电通信。在该实施例中，MTJ104被连接到PMOS晶体管106的漏极或者源极区域。下面将更加详细地描述MTJ104和PMOS晶体管106的功能。

图2是合并了位线200、字线202、以及源极线204的MRAM单元102的示意性表示。可以将各种电压施加到位线200、字线202、以及源极线204以便将驱动电流206a或者206b引导通过MTJ104和PMOS晶体管106。如箭头所表示的，驱动电流206a或者206b可以在任一方向上流动通过MTJ104和PMOS晶体管106以转换MTJ104的磁阻状态。MTJ104可以包括几个磁性材料层，其使得驱动电流206a或者206b能够改变至少一个层的电子自旋，使得MTJ104可以以至少两个磁阻状态存在。

在一个实施例中，MTJ104可以包括自由层208、隧道层210、以及固定层212。在该实施例中，在下面要描述的条件下，驱动电流206a隧穿通过MTJ104并且改变自由层208中的电子自旋，使得MTJ104的电阻可以被改变并且在没有持久电源的情况下被保持。类似地，具有与206a不同的值的第二驱动电流206b可以改变自由层的电子自旋以变化MTJ104的电阻。以此方式，根据自由层208的磁化，MTJ104可以具有两个不同的电阻。

在说明性实施例中，MTJ104的两个状态可以是自由层208和固定层212的平行磁化状态以及自由层208和固定层212的反平行磁化216。平行状态214和反平行状态216具有可区分的磁阻特性，使得施加到MTJ104的读取电流（未示出）将能够区分在两个状态之间的电阻差。以此方式，出于数字地存储信息位的目的，MTJ104可以被读取为0或者1。

在平行状态214中，自由层208和固定层212的磁化是类似的或者平行的。在图2中所示的实施例中，在平行状态中的磁化由自由层208和固定层212中的指向相同方向的箭头示出。因此，在一个实施例中，平行状态可以表示用于信息位的数字1。

在反平行状态216中，自由层208和固定层212的磁化是不类似的、相反的或者反平行的。在图2中所示的实施例中，在反平行状态中的电子自旋由自由层208和固定层212中的指向相反方向的箭头示出。因此，在一个实施例中，反平行状态可以表示用于信息位的数字0。

基于本领域中已知的普通MTJ设计，为将MTJ104从反平行（AP）状态216转变为平行状态（P）214所利用或者施加的驱动电流206a的幅度大于从P到AP的转变。在AP→P转变的高电流条件下，较高的电流久而久之可能导致MTJ104的可靠性问题。较高的电流也可能负面地影响存取晶体管106的阈值电压，特别是当存取晶体管106是n型晶体管的时候。

例如，在AP→P转变期间，在使用较高的驱动电流时，MTJ104处于次最优操作条件下，但是PMOS存取晶体管106处于用于最小化体效应或者阈值电压问题的最优操作条件下。相反，在P→AP转变期间，MTJ104由于较低的驱动电流而处于最优操作条件下，但是PMOS晶体管处于用于管理体效应问题的次最优操作条件下。因此，在MTJ104和存取晶体管106之间的次最优操作条件在转变条件之间被多样化。简言之，该实施例通过不允许用于MRAM单元组件（MTJ104与晶体管106）的次最优操作条件同时发生而降低MRAM单元102的失效率。

转到图3A和3B，将讨论通过P→AP或者AP→P转变而实现的写入条件。如在图2中所讨论的，驱动电流206a或206b实现MTJ104在两个磁阻状态或者写入条件之间的转变。例如，平行条件214可以表示写入“1”条件而反平行条件216可以表示写入“0”条件，这实现在MRAM单元102内的数字信息的存储。

在图3A中，由MRAM单元300说明的写入“0”实施例通过如下来实现：向位线200和字线202提供零或者较低电压信号304、306，同时向源极线204施加诸如VDD308的较高电压，使得驱动电流206a改变自由层的磁化以将MTJ104定向为反平行条件或者写入“0”状态。

在使用MRAM单元302的、图3B中所说明的写入“1”实施例中，通过如下来实现：向字线202和源极线204提供低或者零电压信号310、312，同时向位线200施加诸如VDD314的较高电压，使得驱动电流206b改变自由层的磁化以将MTJ104定向为平行条件或者写入“1”状态。

在上面的实施例中，相对的电压值在其他实施例中可以不同，但是提供了在磁阻状态之间转变MTJ104的相同结果。例如，只要VDD信号314和308的绝对电压值大于相应的零电压信号304、306、或者310、312，则写入条件仍然可以实现而不用上面关于在MRAM单元300中的写入“0”条件或者在MRAM单元302中的写入“1”条件所讨论的精确电压值。

用于STT-MRAM单元的示例存取晶体管

图4A和图4B提供了向包括MTJ104的衬底中实现的存取晶体管106的说明性实施例。在图4A中所说明的一个实施例中，MRAM单元400包括与MTJ104耦合的PMOS晶体管106，其中所述MTJ104由自由层208、阻挡层210、以及固定层212表示。金属层402将MTJ耦合到PMOS晶体管106。出于说明方便的目的，金属层402被示为单层金属，但是在其他实施例中，被用于将晶体管106连接到MTJ104的金属层可以更多。

在MRAM单元400中，晶体管栅极408处于形成晶体管106的源极区域的p型掺杂区域410上方。n型掺杂区域406形成晶体管106的体区或者衬底或者阱，并且另一p型掺杂区域412形成晶体管106的漏极区域。晶体管106在该实施例中也被实现在p型衬底414中。位线200、字线202、以及源极线204在图4中示为被分别耦合到晶体管106的漏极区域、栅极区域、和源极区域。

在图4B中说明的另一实施例中，MRAM单元416被实现在n型衬底418中。在该实施例中，存取晶体管106仍然是PMOS晶体管106，其包括形成存取晶体管106的p型掺杂区域422、n型掺杂区域420、以及另一p型掺杂区域424。

上面的两个实施例是PMOS晶体管的示例，其可以被实现在衬底中并且被耦合到MTJ。然而，本领域的普通技术人员可以实现掺杂剂、材料或者衬底的多种设置以形成可以耦合到MTJ的PMOS晶体管。在图4A和图4B中的实施例仅仅是代表性示例。

用于STT-MRAM单元的示例方法

图5是用于将“0”或者“1”写入到包括PMOS晶体管106的MRAM单元102的方法500的表示。在502处，MRAM单元102经由PMOS晶体管106接收驱动电流206a以转变MRAM单元102的MTJ104的磁阻状态。在一个实施例中，通过将比施加到与晶体管106连接的位线200和字线202的电压更高的电压施加到源极线204，将“0”写入到MTJ104，如图3中的MRAM单元300所示。在该实施例中，通过如图2中所示的MTJ104的平行配置214来表示写入“0”状态。

在504处，MRAM单元102经由PMOS106接收另一驱动电流206b以转变MRAM单元102的MTJ104的磁阻状态。在该实施例中，通过将比施加到与晶体管106连接的字线202和源极线204的电压更高的电压施加到位线200，将“1”写入到MTJ104，如图3中的MRAM单元302中所示。在该实施例中，通过如图2中所示的MTJ104的反平行配置216来表示写入“1”状态。

结论

虽然以对结构特征和/或方法动作特定的语言描述了实施例，但是权利要求不必受限于所描述的特定特征或者动作。相反，所述特定特征和动作被公开作为实现本公开中描述的主题的说明性形式。

Claims (9)

1.一种电路，包括：

存取晶体管，包括栅极区域、源极区域、以及漏极区域，所述存取晶体管是PMOS晶体管；以及

磁性组件，被连接到所述存取晶体管的所述漏极区域；

其中，在反平行状态到平行状态转变期间，在使用较高的驱动电流时，磁性组件处于次最优操作条件下，但是所述PMOS晶体管处于最优操作条件下；

在平行状态到反平行状态转变期间，磁性组件由于较低的驱动电流而处于最优操作条件下，但是所述PMOS晶体管处于次最优操作条件下。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述磁性组件包括磁性隧道结，所述磁性隧道结被配置为具有第一磁阻状态和第二磁阻状态。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述磁性隧道结包括：

第一磁性层；

第二磁性层，被布置在所述第一磁性层下面；以及

阻挡层，被布置在所述第一磁性层和所述第二磁性层之间。

4.根据权利要求3所述的电路，其中所述第一磁性层包括在两个不同的磁阻状态之间转变的材料。

5.根据权利要求3所述的电路，其中所述第二磁性层包括固定的磁性状态。

6.根据权利要求2所述的电路，进一步包括：

字线，连接到所述存取晶体管的栅极区域；

位线，经由所述磁性组件而连接到所述存取晶体管的所述漏极区域；以及

源极线，连接到所述存取晶体管的所述源极区域，所述字线、所述位线、以及所述源极线使得所述存取晶体管的驱动电流能够在第一磁阻状态和第二磁阻状态之间转换所述磁性组件。

7.一种用于操作电路的方法，包括：

从PMOS晶体管向磁性隧道结提供第一驱动电流，以实现所述磁性隧道结的第一磁阻状态，其中，所述第一驱动电流较低，并且磁性隧道结处于最优操作条件下，但是所述PMOS晶体管处于次最优操作条件下；以及

从所述PMOS晶体管向所述磁性隧道结提供第二驱动电流，以实现所述磁性隧道结的第二磁阻状态；其中，所述第二驱动电流较大，并且磁性隧道结处于次最优操作条件下，但是所述PMOS晶体管处于最优操作条件下。

8.根据权利要求7所述的方法，其中从PMOS晶体管提供第一驱动电流包括所述PMOS晶体管的源极电压具有比所述PMOS晶体管的栅极电压和漏极电压的绝对值更高的较高绝对值。

9.根据权利要求7所述的方法，其中从所述PMOS晶体管提供第二驱动电流包括所述PMOS晶体管的漏极电压具有比所述PMOS晶体管的栅极电压和源极电压的绝对值更高的较高绝对值。