專利名稱：用于提供用于磁性存儲器的可編程電流源的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及讀取非易失磁性存儲器，例如磁性隨機存取存儲器(MRAM)，并具體涉及一種用于提供更可靠的磁性元件的方法和系統(tǒng)，所述磁性元件更少受到由于處理所導致變化的影響。
背景技術：
動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)、閃存(FLASH)和靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)是市場上三種主要的傳統(tǒng)半導體存儲器。DRAM的制造成本最低。但是，除了例如需要刷新、相對低的速度和高功耗的缺點以外，DRAM還是易失性的。因此，當電源關閉時DRAM失去數(shù)據(jù)。FLASH存儲器是非易失性的，但是非常慢。用于FLASH存儲器的寫入周期持續(xù)時間(endurance)少于一百萬個周期。該寫入周期持續(xù)時間限制了FLASH存儲器在一些高數(shù)據(jù)率市場中的應用。SRAM是快速存儲器。但是，SRAM是易失性的，并且每單元占用太多的硅區(qū)域。在尋找提供高速、非易失、小單元區(qū)域和令人滿意的持續(xù)時間的通用隨機存取存儲器的過程中，許多公司正在開發(fā)薄膜磁性隨機存取存儲器(MRAM)。
傳統(tǒng)的MRAM能夠利用存儲器單元進行制造，所述存儲器單元使用多個磁性元件，例如各向異性的磁阻(AMR)元件、巨磁阻(GMR)元件以及磁性隧道結(MTJ)疊層。例如，傳統(tǒng)MTJ疊層的制造和使用都相對簡單。因此，利用傳統(tǒng)的磁性單元中的MTJ疊層的MRAM被用作這里的主要例子。
用于改變可變磁矢量方向的磁場通常由基本相互垂直的兩條導線提供。當電流同時經(jīng)過兩條導線時，與兩條導線中的電流有關的兩個磁場作用在可變磁矢量上，以確定其方向。
圖1示出傳統(tǒng)的MRAM 1的一部分。傳統(tǒng)的MRAM包括傳統(tǒng)的垂直導線10和12，傳統(tǒng)的磁性存儲單元具有傳統(tǒng)的MTJ疊層30和傳統(tǒng)的晶體管13。在一些設計中，傳統(tǒng)的晶體管13被二極管代替或完全省略，而傳統(tǒng)的MTJ單元30直接與傳統(tǒng)的字線10相接觸。傳統(tǒng)的MRAM 1利用存儲器單元中的傳統(tǒng)磁性隧道結(MTJ)疊層30。傳統(tǒng)的MTJ疊層30的使用使得有可能設計出一種具有高集成密度、高速、低讀取功率和軟誤差率(SER)免疫性(immunity)的MRAM單元。導線10和12用于把數(shù)據(jù)寫入磁性存儲裝置30中。MTJ疊層30位于傳統(tǒng)的導線10和12的交叉點處，并在導線10和12之間。傳統(tǒng)的導線10和12分別被稱為傳統(tǒng)的字線10和傳統(tǒng)的位線12。但是，這些名稱可互換。也可以使用其它名稱，例如行線、列線、數(shù)字線和數(shù)據(jù)線。
傳統(tǒng)的MTJ 30疊層主要包括具有可變磁矢量(未明確示出)的自由層38、具有固定磁矢量(未明確示出)的栓層(pinned layer)34，以及在兩個磁性層34和38之間的絕緣體36。絕緣體36通常具有一厚度，該厚度足夠低，以允許在磁性層34和38之間穿過電荷載流子。因此，絕緣體36通常在磁性層34和38之間充當隧道阻擋層(tunnelingbarrier)。層32通常是種子(seed)層和被牢固耦合至栓磁性層(pinnedmagnetic layer)的反鐵磁性(AFM)層的合成物。包含在層32中的AFM層通常是錳(Mn)合金，例如銥錳(IrMn)、鎳錳(NiMn)、鈀錳(PdMn)、鉑錳(PtMn)、鉻鉑錳(CrPtMn)等等。AFM層通常被牢固地交換(exchanged)耦合至栓層34，以保證栓層34的磁矢量被牢固地固定在特殊方向上。
當自由層38的磁矢量與栓層34的磁矢量對準時，MTJ疊層30處于低阻抗狀態(tài)。當自由層38的磁矢量與栓層34的磁矢量逆平行時，MTJ疊層30處于高阻抗狀態(tài)。因此，當層34和38的磁矢量平行時，跨過絕緣層34所測量的MTJ疊層30的阻抗比當層34和38的磁矢量處于相反方向時所測量的MTJ疊層30的阻抗低。
數(shù)據(jù)通過把磁場施加到傳統(tǒng)的MTJ疊層30而被儲存在傳統(tǒng)的MTJ疊層30中。所施加的磁場具有選定的方向，以把自由層30的可變磁矢量移動到選定的方向。在寫入期間，在傳統(tǒng)的位線10中流動的電流I1和在傳統(tǒng)的字線10中流動的I2在自由層38上產(chǎn)生兩個磁場。響應于由電流I1和I2所產(chǎn)生的磁場，自由層38中的磁矢量被定位在特殊、穩(wěn)定的方向上。該方向取決于電流I1和I2的方向和幅度以及自由層38的屬性和形狀。通常，寫入零(0)需要電流I1或I2的方向與寫入一(1)時的方向不同。通常，所對準的方向能夠被指定成邏輯1或邏輯0，而未對準的方向相反，即，分別是邏輯0或1。
雖然傳統(tǒng)的MRAM 1能起作用，但是本領域的普通技術人員容易明白傳統(tǒng)的MRAM 1易出故障。因此，場和因此需要寫入傳統(tǒng)的MTJ疊層30的電流取決于多種因素。特別是，需要用于轉變自由層38中可變磁矢量的方向、且因此是轉換電流(switching current)的磁場的幅度取決于傳統(tǒng)的MTJ疊層30的屬性，例如傳統(tǒng)的MTJ疊層30的膜32、34、36和38的厚度，磁性膜34和38的晶體結構。這些屬性是由處理決定的，以及由處理工具決定的。由于處理過程中不可避免的變化，以及從晶片到晶片的以及橫過任何單晶片的均勻性的變化，不同的傳統(tǒng)MTJ疊層30可能需要不同的要被寫入的編程電流(具有朝向所需方向的自由層38的磁化)。如果不提供不同的編程電流，則傳統(tǒng)的MTJ疊層30可能不被寫入，或鄰接的傳統(tǒng)MTJ疊層(未示出)可能被意外寫入。而且，用于為傳統(tǒng)的自由層38轉換磁矢量方向所需的轉換場和電流可能由溫度決定。特別是，在較低溫度時需要更大的電流。因此，使用傳統(tǒng)的MTJ疊層30的傳統(tǒng)的磁性存儲器1的性能可能受到損害。
因此，需要提供一種能夠具有改進的可靠性和性能的磁性存儲器的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種方法和系統(tǒng)，用于提供磁性存儲器。該方法和系統(tǒng)包含提供多個磁性存儲器單元和至少一個可編程電流源。多個磁性存儲器單元的每一個都包括第一磁性元件?？删幊屉娏髟从糜趯Χ鄠€磁性存儲器單元的一部分進行編程。每個可編程電流源包括控制器以及耦合至控制器的電流源。控制器用于確定由電流源所提供的電流，且至少包括第二磁性元件。第二磁性元件基本與第一磁性元件相同。由電流源提供的電流基于至少第二磁性元件被確定。
根據(jù)這里所公開的系統(tǒng)和方法，本發(fā)明提供一種用于提供具有改進的性能和可靠性的磁性存儲器元件的方法。


圖1是包括位于位線和字線的交叉處的MTJ單元的傳統(tǒng)磁性存儲器的一部分的三維視圖。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源的一個實施例的高級別(high-level)圖。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源的第一實施例的更詳細的圖。
圖3B是根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源的第一實施例的第二形式的更詳細的圖。
圖3C是根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源的第一實施例的第三形式的更詳細的圖。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源的第二實施例的更詳細的圖。
圖4B是根據(jù)本發(fā)明的在可編程電流源的第二實施例中所使用的電流源的實施例的更詳細的圖。
圖4C是根據(jù)本發(fā)明、用于可編程電流源的第二實施例的控制器的一個實施例的一部分的更詳細的圖。
圖4D是根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源的第二實施例的第二形式的更詳細的圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明、提供由溫度決定的電流的可編程電流源的第三實施例的更詳細的圖。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的使用可編程電流源的第四實施例的磁性存儲器的一部分的一個實施例。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明的使用可編程電流源的存儲器的一個實施例的高級別圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種用于讀取包括多個磁性元件的磁性存儲器的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)包含確定多個磁性元件中至少一個的第一阻抗。該方法和系統(tǒng)還包含把干擾磁場施加到多個磁性元件的至少一個，以及當施加干擾磁場時，確定多個磁性元件中的至少一個的第二阻抗。該方法和系統(tǒng)進一步包含對第一阻抗與第二阻抗進行比較。
本發(fā)明提供一種用于提供磁性存儲器的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)包含提供多個磁性存儲器單元和至少一個可編程電流源。多個磁性存儲器單元中的每一個都包括第一磁性元件。可編程電流源用于對多個磁性存儲器單元的一部分進行編程。每個可編程電流源包括控制器以及耦合至控制器的電流源?？刂破饔糜诖_定由電流源提供的電流，并且至少包括第二磁性元件。第二磁性元件基本與第一磁性元件相同?？刂破骰谥辽俚诙判栽_定由電流源提供的電流。
本發(fā)明將會根據(jù)特殊類型的磁性存儲器元件、特殊材料和特殊配置的元件進行描述。例如，本發(fā)明將在下文的示例性磁性隨機存取存儲器(MRAM)單元中進行描述。但是，本領域的一名普通技術人員將容易認識到本發(fā)明不被限制于任何特殊的磁性存儲器裝置。因此，本領域的一名普通技術人員將容易認識到，這種方法和系統(tǒng)將會對與本發(fā)明并非不一致的其它磁性存儲器單元以及其它的材料和配置進行有效地操作。而是，本發(fā)明可適用于其它的磁性存儲器裝置。本發(fā)明還在下文的磁性隧道結(MTJ)疊層中進行描述。但是，本領域的一名普通技術人員將容易認識到，本發(fā)明不被限制于這種裝置。而是，與本發(fā)明并非不一致的其它裝置，還可以使用例如旋轉閥(spin-valve)或其它GMR磁性元件或AMR元件。本領域的一名普通技術人員也將認識到，可選的磁性元件可以用于或不用于對這里所描述的結構部分的更改中。另外，本發(fā)明在下文的每一磁性存儲器單元的單個磁性元件中進行描述。但是，本領域的一名普通技術人員將容易認識到，可以使用多個元件。
為了更具體地例示根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，現(xiàn)在參考圖2，其示出根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源100的一個實施例的高級別圖。可編程電流源100用于提供電流，以對磁性存儲器中的存儲器單元(未示出)的若干部分(包括全部)進行編程。因此，電流源100被用在磁性存儲器單元內(nèi)部的編程磁性元件中。在優(yōu)選的實施例中，可編程電流源100被用在編程MTJ疊層中，例如在圖1中所示的MTJ疊層30。參考圖1和圖2，例如，可編程電流源100可以用于提供I1和/或I2，如上所述。優(yōu)選地，可編程電流源100把電流提供給比磁性存儲器中所有磁性元件少的磁性元件。例如，磁性存儲器可以被劃分成存儲器單元組(bank)的陣列。在這種實施例中，每個組可以對應于特殊的可編程電流源100，且由特殊的可編程電流源100進行寫入。
可編程電流源100包括至少一個電流源102和至少一個控制器104。電流源102產(chǎn)生和輸出電流，該電流用于對存儲單元中的磁性元件，例如MTJ疊層30進行編程?？刂破?04控制由電流源102提供的電流。在優(yōu)選的實施例中，控制器104控制由電流源102所提供電流的幅度。每個控制器104包括至少一個磁性元件106。優(yōu)選地，控制器104中的磁性元件106基本與正被編程的磁性元件相同?？刂破髦械拇判栽?06被控制器104用于確定適當?shù)目刂菩盘?，以提供給電流源102，以及，因此確定由電流源102輸出的電流。因此，控制器104基于磁性元件106來確定電流源102提供的電流。在優(yōu)選的實施例中，控制器104中的磁性元件106是MTJ疊層，例如MTJ疊層30。在可選實施例中，磁性元件106可能是其它的結構，例如旋轉閥或其它的GMR結構或AMR元件。
因此，控制器104中的磁性元件106能用于保證由可編程電流源100提供的電流考慮了許多上述問題，特別是如果可編程電流源100被用于磁性存儲器的部分(sections)時。用于形成磁性元件，例如MTJ疊層30的相同的處理和工具優(yōu)選地用于形成磁性元件106。因此，通過使用磁性元件106，控制器104能解決用于數(shù)據(jù)存儲的磁性元件中的不均勻性和其它問題。結果，電流源102提供適當?shù)碾娏?，用于對用于?shù)據(jù)存儲的相應磁性元件進行編程。例如，使用磁性元件106，一個或多個控制器104能夠控制一個或多個電流源輸出電流，該電流具有至少部分基于磁性元件106的轉換特性或磁性元件106的阻抗的值。因此，用于對存儲數(shù)據(jù)的磁性元件進行編程的電流能夠至少部分地基于磁性元件的轉換特性或磁性元件的阻抗而被控制。
圖3A示出根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源120的第一實施例的更詳細的圖。因此，可編程電流源120被用在磁性存儲器單元內(nèi)的編程磁性元件中。在優(yōu)選的實施例中，可編程電流源120被用在編程MTJ疊層中，例如在圖1中所示的MTJ疊層30。參考圖1和圖3A，例如，可編程電流源120可用于提供I1和I2，如上所述。還在優(yōu)選的實施例中，可編程電流源120把電流提供給磁性存儲器中的一部分磁性元件。例如，磁性存儲器可以被劃分成組，每個組對應于特殊的可編程電流源120，或由特殊的可編程電流源120進行寫入。
可編程電流源120包括電流源122和控制器128?？删幊屉娏髟?20是圖2中所示的可編程電流源100的一個實施例。因此，電流源122和控制器128分別對應于電流源102和控制器104，如圖2所示?；氐絽⒖紙D3A，電流源122包括P溝道電阻124和126，以及輸出127。輸出127提供電流I120作為輸出。電流源122是鏡像電流源。
控制器包括電阻R1，其是磁性元件130。磁性元件130優(yōu)選為MTJ疊層。但是，在可選實施例中，磁性元件130可能是其他結構。優(yōu)選地，磁性元件130與正使用可編程電流源120進行編程的磁性元件(未示出)相同。磁性元件130能使用線132進行寫入。電流源122的輸出電流I120由流過控制器128的磁性元件130的電流進行控制。
磁性元件130的阻抗和晶體管124和126的參數(shù)確定由電流源122提供的輸出電流I120的幅度。如果兩個晶體管124和126的溝道寬度和長度相同，則兩個晶體管的源極電流相同。輸出電流I120的值由下式給出I120＝(Vdd-Vdg)/R1其中Vdd＝晶體管的漏極和地之間的電壓降Vdg＝晶體管的漏極和柵極之間的電壓降。
R1＝磁性元件130的阻抗在可編程電流源120中，磁性元件130的阻抗R1能使用通過線132驅動的寫入電流而被改變。因此，磁性元件130的阻抗改變能改變輸出電流I120的幅度。如果磁性元件130是MTJ疊層，例如圖1的MTJ疊層30，那么阻抗R1能改變大約30％(在MTJ疊層的低阻抗和高阻抗狀態(tài)之間)。在這種實施例中，控制器128能提供對輸出電流I120的百分之三十的調(diào)整。
因此，控制器128能通過磁性元件130的阻抗來控制電流源122，以提供可變的、可編程的電流。用于對存儲數(shù)據(jù)的磁性元件進行編程的電流能夠至少部分基于磁性元件130的阻抗而被控制?？刂破?28中的磁性元件130還能被用于保證由可編程電流源120提供的電流考慮了處理方法和工具的變化以及晶片的變化，尤其是如果可編程電流源120用于磁性存儲器的部分時。
圖3B示出根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源的第一實施例的第二形式120′的更詳細的圖。可編程電流源120′基本包括與圖3A中所示的可編程電流源120相同的組件。參考圖3A和3B，可編程電流源120′的模擬組件以與可編程電流源的部件相似的方式進行標記?？删幊屉娏髟?20′由此被用于對磁性存儲器單元內(nèi)的磁性元件編程。在優(yōu)選的實施例中，可編程電流源120′被用于對MTJ疊層，例如在圖1中所示的MTJ疊層30進行編程。例如，參考圖1和圖3B，可編程電流源120′可以用于提供I1和/或I2，如上所述。也在優(yōu)選的實施例中，可編程電流源120′把電流提供給磁性存儲器內(nèi)的一部分磁性元件。例如，磁性存儲器可以被劃分為分區(qū)(partition)的陣列，每個分區(qū)對應于特殊可編程電流源120′，且由特殊可編程電流源120′進行寫入。
可編程電流源120′包括電流源122′和控制器128′。電流源122′與電流源122相似且因此基本包含相同的組件。雖然控制器128′對應于控制器128，但是控制器128′具有多個并聯(lián)耦合的磁性元件130A、130B和130C。磁性元件130A、130B和130C分別具有阻抗R1′、R1″和R1。雖然三個磁性元件130A、130B和130C被示出，但是還可以使用其它數(shù)目的磁性元件。磁性元件130A、130B和130C分別是使用寫入線132A、132B和132C的控制器。
參考圖3A和圖3B，在磁性元件130中具有穩(wěn)定處于低值或高值的阻抗R1。因此，控制器128以二進制方式調(diào)整輸出電流I120的幅度。在圖3B的可編程電流源120′中，可編程電流源120的單個磁性元件130已經(jīng)被多個磁性元件130A、130B和130C所代替。使用具有多條用于編程的寫入線132A、132B和132C的多個磁性元件130A、130B和130C使得對I120′中變化的分辨率得以提高。磁性元件130A、130B和130C分別具有阻抗R1′、R1″和R1″。
流過控制器128′的電流以及因此由電流源122′輸出的電流取決于磁性元件130A、130B和130C的阻抗的組合。如果每個阻抗R1′、R1″和R1有最小值或R0和最大值R0+ΔR0，那么磁性元件130A、130B和130C的阻抗組合的總有效阻抗能根據(jù)各磁性元件130A、130B和130C的狀態(tài)具有四個不同值?？傋杩沟目赡苤凳荝0/3、R0(R0+ΔR0)/(3R0+2ΔR0)、R0(R0+ΔR0)/(3R0+ΔR0)和(R0+ΔR0)/3。因此，可編程電流源120′能提供具有四個不同值的電流I120′。對于相同的晶體管124′和126′而言，電流的四個值由下式給出I120′＝(Vdd-Vdg)/Ri，其中Ri能具有上述四個值的其中之一。
可編程電流源120′由此基本具有與可編程電流源120相同的好處。另外，可編程電流源120′提供能具有多個值的輸出電流。能夠控制輸出電流I120′所使用的粒度(granularity)取決于磁性元件，例如磁性元件130A、130B和130C的數(shù)目。磁性元件的數(shù)目越多，對由可編程電流源120′提供的電流的控制就更佳。注意，雖然磁性元件130A、130B和130C被示出為并聯(lián)耦合，但是也可能有提供對輸出電流I120′的編程進行更佳控制的磁性元件130A、130B和130C的其他布置。
圖3C示出根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源的第一實施例的第三形式120″的更詳細的圖。可編程電流源120′包括一些與在圖3A中所示的可編程電流源120相同的組件。參考圖3A和圖3C，可編程電流源120″的相似組件以與可編程電流源120的組件相似的方式進行標記。可編程電流源120″由此被用于磁性存儲器單元內(nèi)的編程磁性元件。在優(yōu)選的實施例中，可編程電流源120″被用于對MTJ疊層，例如圖1中所示的MTJ疊層30進行編程。參考圖1和圖3C，例如，可編程電流源120″可以用于提供I1和/或I2，如上所述。還在優(yōu)選的實施例中，可編程電流源120″把電流提供給磁性存儲器內(nèi)的一部分磁性元件。例如，可以把磁性存儲器劃分為分區(qū)的陣列，每個分區(qū)對應于特殊可編程電流源120″，且由特殊可編程電流源120″進行寫入。
可編程電流源120″包括電流源122″和控制器128″。電流源122″與電流源122相似且因此基本包含相同的組件。電流源122″因此是鏡像電流源。雖然控制器128″對應于控制器128，但是還包括另外的元件。控制器128″包括具有相應的寫入線132″的磁性元件130″，以及N溝道晶體管134和136。磁性元件130″優(yōu)選為MTJ疊層。但是，磁性元件130″可以包括其它結構，例如GMR或AMR結構。磁性元件130″的阻抗是R2。在優(yōu)選的實施例中，磁性元件130″具有對應于兩個穩(wěn)定阻抗的兩個穩(wěn)定狀態(tài)。
晶體管的122的源極電流與晶體管136的漏極電流相等。晶體管124″的漏極電流等于ID126＝I124″*W126″*L124″/(W124″*L126″)其中I126″是126″的漏極電流I124″是124″的漏極電流W126″是126″的溝道寬度W124″是124″的溝道寬度L126″是126″的溝道長度L124″是124″的溝道長度晶體管136的漏極電流能通過改變磁性元件130″的阻抗而發(fā)生變化。晶體管136漏極電流的改變導致提供給電流源122″的電流發(fā)生變化，并且因此導致輸出電流I120″發(fā)生變化。通過使用寫入線132″對磁性元件130″進行編程而改變磁性元件130″的阻抗。因此，能通過對磁性元件130″進行編程而對輸出電流源進行編程。
可編程電流源120″能以與在圖3A中所示的可編程電流源120相似的方式，提供具有兩個幅度的其中之一的輸出電流。輸出電流I120″值的變化范圍由阻抗R2的變化范圍確定。為了提高對I120″中變化的分辨率，磁性元件130″可以是磁性元件陣列，優(yōu)選地，每個磁性元件具有相應的寫入線，其方式與在圖3B中所示的可編程電流源120′的相似?；氐絽⒖紙D3C，如果使用磁性元件陣列代替磁性元件130″，那么磁性元件能夠被并聯(lián)耦合?？蛇x地，磁性元件能夠串聯(lián)連接或把串聯(lián)和并聯(lián)連接進行組合?？删幊屉娏髟?20″由此基本具有與可編程電流源120相同的好處。
圖4A示出根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源的第二實施例150的更詳細的圖?？删幊屉娏髟?50包括多個電流源152、154和156，以及多個控制器160、170和180。在所示出的實施例中，每個電流源152、154和156分別由各自指定的控制器160、170和180進行控制。在這種實施例中，每個電流源和控制器組合152和160、154和170、156和180可被視為在可編程電流源150內(nèi)各自獨立的可編程電流源。但是，在可選實施例中，控制器160、170和180可以控制多于一個電流源。另外，盡管示出三個電流源152、154和156和三個控制器160、170和180，但可能有具有其他數(shù)目的電流源和/或控制器的可編程電流源150。電流源152、154和156優(yōu)選為對應于電流源102、122、122′和122″，且具有與電流源102、122、122′和122″相似的結構。但是，有可能有具有其他結構的電流源152、154和156。此外，不需要電流源152、154和156提供相同的電流。而是，電流源152、154和156可以提供不同的電流。控制器160、170和180優(yōu)選為對應于控制器104、128、128′和128″。但是，如下所述，控制器160、170和180的結構優(yōu)選為不同。
每個控制器160、170和180都分別包括鎖存器單元162、172和182，以及晶體管164、174和184。鎖存器單元162、172和182的一個實施例在下面被描述。晶體管164、174和184分別由鎖存器單元162、172和182開啟或關閉。每個鎖存器單元162、172和182都分別包括一個或多個磁性元件166、176和186。磁性元件166、176和186分別用于確定鎖存器單元162、172和182是否開啟晶體管162、174和184。晶體管164、174和184分別由鎖存器單元162、172和182基于磁性元件166、176和186的屬性進行控制。
可編程電流源150的總輸出電流I150由輸出端158提供。該輸出電流被用于對磁性存儲器的部分單元進行編程。電流源152、154和156分別通過晶體管164、174和184被并聯(lián)耦合。因此，基于鎖存器單元162、172和182，晶體管164、174和184分別被選擇性地耦合至輸出端158。如下所述，鎖存器單元162、172或182的輸出分別取決于各鎖存器單元162、172或182內(nèi)的磁性元件166、176或186的狀態(tài)?；诖判栽?66、176或186是否處于高阻態(tài)和低阻態(tài)，相應的鎖存器單元162、172或182的輸出分別為高或低。如果鎖存器單元162、172或182的輸出為邏輯高，則相關的晶體管164、174或184分別被開啟。當晶體管164、174或184被開啟時，相關的電流源152、154或156各自對I150作出貢獻。因此，晶體管164、174和184分別有效地起到用作電流源152、154和156的開關的作用。因此，I150的幅度通過分別對鎖存器單元162、172和182中的磁性元件166、176和186進行編程而被調(diào)整，以改變鎖存器的輸出，用于開啟或關閉晶體管164、174和184。
因此，使用可編程電流源150，可以使用可變、可編程的電流對存儲器單元(未示出)中的磁性元件(未示出)進行編程?？刂破?60、170和180中的磁性元件166、176和186可以分別用于保證由可編程電流源150提供的電流考慮了處理方法和工具的變化以及晶片的變化，尤其是如果可編程電流源150被用于部分磁性存儲器時。另外，可編程電流源150提供能具有多個值的輸出電流?？刂戚敵鲭娏?50所使用的粒度分別取決于電流源152、154和156的數(shù)目以及控制器160、170和180的數(shù)目。電流源152、154和156和控制器160、170和180的組合的數(shù)目越大，對由可編程電流源150提供的電流的控制也就更佳。
圖4B示出根據(jù)本發(fā)明在可編程電流源的第二實施例中所使用的電流源190的一個實施例的更詳細的圖。優(yōu)選地，電流源190用于如圖4A中所示的電流源152、154和156。但是，有可能使用其他電流源。參考圖4A和圖4B，電流源190包括具有P-溝道晶體管192和194的鏡像電流源。電流源190還包括電阻196。但是，優(yōu)選地，電阻196不是磁性元件。因此，優(yōu)選地，電流源190的輸出、以及因此電流源152、154和156的輸出不被分別編程。而是基于電阻器196的阻抗提供相對恒定的輸出。由此，把對可編程電流源150進行編程改為把電流源152、154和156耦合至可編程電流源150的輸出端158。
圖4C示出根據(jù)本發(fā)明用于可編程電流源的第二實施例的控制器200的一部分的更詳細的圖?？刂破?00優(yōu)選用作如圖4A中所示的控制器160、170和180。參考圖4A和圖4C，控制器200包括鎖存器單元201和晶體管220。鎖存器單元201優(yōu)選用作每個鎖存器單元162、172和182。晶體管220優(yōu)選用作每個晶體管164、174和184。晶體管220優(yōu)選為MOS晶體管。
鎖存器單元201包括P-溝道晶體管202和212、反相器204和214、N-溝道晶體管206和216以及磁性元件208和218，其分別被示為具有寫入線209和219的電阻。磁性元件208和218優(yōu)選對應于磁性元件166、176和186。因此，每個鎖存器單元162、172和182優(yōu)選包括兩個磁性元件。磁性元件208和218基本與要被編程的磁性元件(未示出)相同。在優(yōu)選的實施例中，磁性元件208和218是MTJ疊層，例如MTJ疊層30。但是，有可能使用另其他磁性元件，例如GMR或AMR磁性元件。鎖存器單元201的輸出能由反相器204和214提供。在所示出的實施例中，反相器214被用于把輸出提供給晶體管220。輸出為高邏輯值或低邏輯值。因此，鎖存器單元201能被用于驅動晶體管220的柵極。
因此，當用作控制器160、170和180時，控制器200能驅動晶體管220(并因此晶體管164、174和184)，以選擇性地把特殊電流源152、154和156連接至輸出端158(或從輸出端158斷開)。因此，每個電流源152、154和156選擇性地對輸出電流I150作出貢獻。因此，電流源152、154和156能用于調(diào)整電流的總幅度，以開啟或關閉特殊的電流支路，以調(diào)整電流驅動器的總幅度。鎖存器單元201的輸出被保持，即使在提供給控制器200的電源被關閉的情況下也是如此。如果磁性元件218被編程，以具有比磁性元件208更高的阻抗，則當電源被開啟時，反相器204具有邏輯“高”而反相器214具有邏輯“低”。否則，如果磁性元件218被編程，以具有比磁性元件208更小的阻抗，則反相器204和214的輸出被顛倒。因此，使用控制器能夠對輸出電流I150進行編程。
圖4D示出根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源的第二實施例的第二形式150′的更詳細的圖?？删幊屉娏髟?50′對應于如圖4A中所示的電流源150，且因此具有許多相似的組件。參考圖4A和圖4D，對相似的組件進行相同地標記。因此，可編程電流源150′包括分別具有鎖存器單元162′，172′和182′和晶體管164′、174′和184′的控制器160′、170′和180′。在優(yōu)選的實施例中，在圖4C中示出的控制器200被用作控制器160′、170′和180′。因此，晶體管164′、174′和184′分別使用磁性元件166、176和186進行控制，以選擇性地把電流源152′、154′和156′耦合至輸出端158′。因此，晶體管164’、174’和184′分別有效地起到用于電流源152′、154′和156′的開關的作用。電流源152′、154′和156′分別對應于電流源152、154和156。因此，在圖4B中示出的電流源190優(yōu)選用作各電流源152′、154′和156′。另外，圖4C的控制器200優(yōu)選用作控制器160′、170′和180′。圖4D中還示出數(shù)據(jù)編程線157和晶體管159。
在可編程電流源150′中，輸出端158′被耦合至數(shù)據(jù)編程線157。在線157的另一端，晶體管159優(yōu)選地耦合于地。存在于晶體管164′、174′和184′與晶體管159之間的存儲器的部分磁性元件(未示出)可以使用可編程電流源150′進行編程。晶體管159充當開關。晶體管159的規(guī)格(size)應該足以容納電流源152′、154′和156′的輸出電流I1′、12′和13′的總和?？删幊屉娏髟?50′基本具有與電流源150相同的好處。另外，晶體管159使可編程電流源150′能夠被斷開。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源250的第三實施例的更詳細的圖，該實施例提供可編程的以及由溫度決定的電流?？删幊屉娏髟?50由此用于對磁性存儲器單元內(nèi)的磁性元件進行編程。在優(yōu)選的實施例中，可編程電流源250用于對MTJ疊層，例如圖1中所示的MTJ疊層30進行編程。例如，參考圖1和圖5，可編程電流源250可以用于提供I1和/或I2，如上所述。而且，在優(yōu)選的實施例中，可編程電流源250把電流提供給磁性存儲器內(nèi)的一部分磁性元件。例如，可以把磁性存儲器劃分為分區(qū)的陣列，每個分區(qū)對應于特殊的可編程電流源250，且由特殊的可編程電流源250進行寫入。參考圖2和圖5，可編程電流源250包括電流源260和控制器270。電流源260對應于電流源102而控制器270對應于控制器104。
電流源260優(yōu)選為具有P-溝道晶體管262和264的鏡像電流源。輸出電流1250由電流源260提供，且因此可編程電流源250由通過控制器270輸入到鏡像電流源的電流進行控制。因此，電流源250以與圖3A中所示的電流源122相似的方式起作用。
回到參考圖5，控制器270包括至少一個示出為電阻的磁性元件274以及N-溝道晶體管272。磁性元件274優(yōu)選為具有編程線275的MTJ疊層。在這方面，可編程電流源250以與圖3A中所示的可編程電流源120相似的方式起作用?；氐絽⒖紙D5，因此，通過把具有正確的幅度和方向的電流提供給編程線275、以改變磁性元件274的阻抗值，能夠對輸出電流幅度進行編程。因此，能夠通過對磁性元件274進行編程而對輸出電流1250進行編程。
控制器270還包括溫度傳感器276。在優(yōu)選的實施例中，溫度傳感器276包括晶體管277、278和279，其優(yōu)選為對雙極晶體管進行連接所形成的二極管。但是，在可選實施例中，能夠使用其他的溫度傳感器。另外，能夠使用更少或更多的晶體管277、278和279，使得可編程電流源250的輸出電流對室溫偏差(bias)進行調(diào)整，以滿足設計要求。pn-結晶體管277、278和279還能與電阻相串聯(lián)，以調(diào)整輸出電流的溫度靈敏度，以與所需的MRAM單元(未示出)的寫入電流的溫度靈敏度相匹配。
晶體管277、278和279與晶體管272相結合使輸出電流作為溫度的函數(shù)而出現(xiàn)。對晶體管277、278和279進行連接所形成的二極管提供本發(fā)明中的溫度感知功能，且能被二極管所代替。通常，跨越硅中前向偏置的pn結的壓降取決于具有大約為-2mV/K梯度(gradient)的溫度。具有該溫度系數(shù)的晶體管277、278和279優(yōu)選用于片上溫度測量。pn結的前向偏置大約為0.7V。如果溫度以100攝氏度進行改變，則前向偏置電壓的百分比改變是-200/700或大約28％的顯著改變。在一些半導體器件，例如雙極MOS(BiCMOS)技術的雙極型晶體管或標準COMS技術的橫向和縱向雙極型裝置之中，可找到容易獲得的(accessible)的pn結。在雙極技術的情況下，連接為二極管的NPN或PNP晶體管能夠用作各晶體管277、278和279。在CMOS技術的情況下，襯底PNP或襯底NPN應該分別用于n-阱(well)和p-阱COMS技術。對于優(yōu)選CMOS技術的n-阱技術而言，由n-阱和p-型襯底內(nèi)的P+擴散形成PNP晶體管。P+擴散形成發(fā)射極，n-阱形成基極，并且p-型襯底形成集電極。
N-溝道晶體管272的柵極由跨越三個發(fā)射極-基極pn結晶體管277、278和279的前向偏置電壓進行偏置。當可編程電流源250被用于的磁性存儲器的溫度升高時，跨越晶體管277、278和279的前向偏置電壓下降。因此，晶體管272的柵極-源極電壓下降。因此，晶體管272的源極電流減小。因為對電流源260使用鏡像電流源，所以輸出電流I250減小，達到當芯片溫度上升時減小MRAM單元的寫入電流的目的。注意，溫度傳感器276能夠具有適當?shù)恼郎囟认禂?shù)。
因此，控制器270能夠通過磁性元件274的阻抗對電流源260進行控制，以提供可變的、可編程的電流。因此，能夠獲得電流源120的優(yōu)點。另外，如果使用多個磁性元件來代替磁性元件274，那么能夠獲得對電流進行編程的更佳控制。而且，可編程電流源250把溫度靈敏度與電流的編程合為一體。特別是，輸出電流的幅度隨溫度升高而降低。如上所述，需要寫入磁性元件的轉換電流隨溫度升高而減小。而且，當磁性元件的規(guī)格降低時，寫入電流的溫度依賴性增大。因此，當存儲器變得更為密集且使用更小的磁性元件時，轉變電流隨溫度的改變變得更加顯著。因此，若不基于溫度對寫入電流進行調(diào)整，磁性存儲器可能出故障。可編程電流源250允許對溫度自動進行考慮。可編程并對磁性存儲器的溫度而言適當?shù)碾娏骺梢杂煽删幊屉娏髟?50來提供。因此，使用可編程電流源250的磁性存儲器的性能可得以改善。
圖6示出使用根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源的第四實施例的磁性存儲器300的一部分的一個實施例。磁性存儲器300使用可編程電流源310對至少一部分磁性存儲器單元(未明確示出)進行編程?？删幊屉娏髟?10包括自適應(adaptive)電流源320和330。優(yōu)選地，使用一個或多個可編程電流源100、120、120′、150、150′和/或250形成自適應電流源320和330。因此，每個自適應電流源320和330包括至少一個控制器(未明確示出)和至少一個電流源，該控制器基于磁性元件對電流進行控制。而且，自適應電流源320和330優(yōu)選包括獨立的控制器(未明確示出)，且因此是獨立的。
可編程電流源310耦合至寫入線340，其提供電流，用于對磁性存儲器300的一部分磁性存儲器單元(未示出)中的磁性元件(未示出)進行編程。寫入線340與開關342和344相連?？删幊屉娏髟?10耦合至寫入線340，使得自適應電流源320把電流提供給通到開關344的寫入線340。同樣地，可編程電流源310耦合至寫入線340，使得適應電流源330把電流提供給通到開關342的寫入線340。通常，為了把MRAM單元從一個內(nèi)容(例如，分別地，邏輯“0”或邏輯“1”)寫成另一內(nèi)容(例如，分別地，邏輯“1”或邏輯“0”)，所使用的位線電流是雙向的。特別是，對“0”進行編程所使用的電流方向與對“1”進行編程所使用的電流方向相反。另外，需要寫入磁性元件(未示出)的兩個電流的幅度可以不同，其取決于正被編程的磁性元件(未示出)的屬性。分別與兩個獨立電流開關344和342相匹配的兩個獨立的自適應電流源320和330的使用能夠用于獨立提供并優(yōu)化不同方向的兩個電流。因此，當自適應電流源320用于提供電流時，晶體管344被開啟，而電流從左至右流動，如圖6所示。當使用自適應電流源330時，晶體管342被關閉，而電流從右至左流動，如圖6所示。
使用可編程電流源310基本能獲得與對于可編程電流源100、120、120′、150、150′和250而言相同的好處。當雙(bi)可編程電流源300用作存儲器300的一部分時，晶片上的變化也被考慮。而且，在反方向上的電流能使用可編程電流源300進行提供。因此，使磁性存儲器的寫入變得容易且性能被提高。
圖7示出使用根據(jù)本發(fā)明的可編程電流源的存儲器400的一個實施例的高級別圖。磁性存儲器400包括被劃分為組402、404、406、408、410、412、414、416和418的存儲器單元。本領域的一名普通技術人員將很容易認識到可以使用其他數(shù)目的組。如上所述，可編程電流源100、120、120′、150、150′、250和300能用于對磁性存儲器內(nèi)的全部或部分單元進行編程。如果可編程電流源100、120、120′、150、150′、250和300用于對磁性存儲器內(nèi)的一部分單元進行編程，那么可以首先考慮跨越晶片以及從晶片到晶片的磁性單元的轉換區(qū)域的變化?？缭焦苄?die)或晶片的存儲器單元的轉換區(qū)域變化可以使用組402、404、406、408、410、412、414、416和418進行尋址(addressed)。每個組402、404、406、408、410、412、414、416和418有它自己的可編程電流源和變換器(sink)。按照編程電流的需求，一個組402、404、406、408、410、412、414、416或418可以不同于另一個組402、404、406、408、410、412、414、416和418，例如由于裝置尺寸的變化、膜厚度以及膜屬性的原因。為了尋址這個主題(issue)，每個組402、404、406、408、410、412、414、416、和418能有如上所述的一組可編程電流源100、120、120′、150、150′、250或300(未在圖7中示出)以及變換器或晶體管開關(未示出)，用于驅動位線和字線。存儲器400被劃分成的組402、404、406、408、410、412、414、416和418的數(shù)目可能取決于多種因素，其包括所使用的晶片的均勻性。因此，如上所述，跨越特殊晶片的非均勻性能夠被考慮。
已經(jīng)公開了一種用于提供允許提高磁性存儲器性能的可編程電流源的方法和系統(tǒng)。盡管本發(fā)明已經(jīng)根據(jù)例示的實施例進行了描述，但是本領域普通技術人員將會理解存在對于這些實施例多種變體，且這些變化在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，不背離所附的權利要求的精神和范圍，可以通過本領域的一名普通技術人員進行多種修改。
權利要求
1.一種磁性存儲器，其包含多個磁性存儲器單元，所述多個磁性存儲器單元中的每一個都包括第一磁性元件；至少一個用于對所述多個可編程磁性存儲器單元的一部分進行編程的可編程電流源，至少一個可編程電流源的每一個都包括控制器和耦合至所述控制器的電流源，所述控制器包括至少一個第二磁性元件，所述至少一個第二磁性元件基本與所述第一磁性元件相同，所述控制器用于基于所述至少第二磁性元件來確定由所述電流源提供的電流。
2.根據(jù)權利要求1所述的磁性存儲器，其中，所述電流源進一步包括鏡像電流源。
3.根據(jù)權利要求2所述的磁性存儲器，其中，所述控制器進一步包括偏置電路。
4.根據(jù)權利要求1所述的磁性存儲器，其中，所述控制器進一步包括多個含有所述至少第二磁性元件的鎖存器電路，所述多個鎖存器電路用于選擇性地驅動所述電流源。
5.根據(jù)權利要求1所述的磁性存儲器，其中，所述控制器進一步包括溫度傳感器，以允許所述電流源提供溫度敏感電流。
6.一種磁性存儲器，其包含多個磁性存儲器單元，所述多個磁性存儲器單元中的每一個包括第一磁性元件；第一自適應電流源，其包括用于對所述多個磁性存儲器單元的一部分進行編程的第一可編程電流源，所述第一可編程電流源包括第一控制器和耦合至所述第一控制器的第一電流源，所述第一控制器用于確定由所述第一電流源提供的第一電流，所述第一控制器包括至少第二磁性元件，所述至少第二磁性元件基本與所述第一磁性元件相同，所述第一控制器基于所述至少第二磁性元件對由所述第一電流源提供的所述第一電流進行控制；以及第二自適應電流源，其包括用于對所述多個磁性存儲器單元的一部分進行編程的第二可編程電流源，所述第二可編程電流源包括第二控制器和耦合至所述第二控制器的第二電流源，所述第二控制器用于確定由所述第二電流源提供的第二電流，所述第二控制器包括至少第三磁性元件，所述至少第三磁性元件基本與所述第一磁性元件相同，所述第二控制器基于所述至少第三磁性元件對由所述第二電流源提供的所述第二電流進行控制。
7.根據(jù)權利要求6所述的磁性存儲器，其中，所述第一電流源進一步包括鏡像電流源。
8.根據(jù)權利要求7所述的磁性存儲器，其中，所述第一控制器進一步包括偏置電路。
9.根據(jù)權利要求6所述的磁性存儲器，其中，所述電流源進一步包括鏡像電流源。
10.根據(jù)權利要求8所述的磁性存儲器，其中，所述第二控制器進一步包括偏置電路。
11.根據(jù)權利要求6所述的磁性存儲器，其中，所述第一控制器進一步包括含有所述至少第二磁性元件的多個鎖存器電路，所述多個鎖存器電路用于選擇性地驅動所述第一電流源。
12.根據(jù)權利要求6所述的磁性存儲器，其中，所述第二控制器進一步包括含有所述至少第三磁性元件的多個鎖存器電路，所述多個鎖存器電路用于選擇性地驅動所述第二電流源。
13.根據(jù)權利要求6所述的磁性存儲器，其中，所述控制器進一步包括溫度傳感器，以允許所述電流源提供溫度敏感的電流。
14.一種用于提供磁性存儲器的方法，其包含(a)提供多個磁性存儲器單元，所述多個磁性存儲器單元中的每一個都包括第一磁性元件；(b)提供至少一個用于對所述多個磁性存儲器單元的一部分進行編程的可編程電流源，所述至少一個可編程電流源的每一個都包括控制器和耦合至所述控制器的電流源，所述控制器用于確定由所述電流源提供的電流，所述控制器包括至少一個第二磁性元件，所述至少一個第二磁性元件基本與所述第一磁性元件相同，所述控制器基于所述至少第二磁性元件對由所述電流源提供的電流進行控制。
15.一種用于提供磁性存儲器的方法，其包含(a)提供多個磁性存儲器單元，所述多個磁性存儲器單元的每一個都包括第一磁性元件；(b)提供第一自適應電流源，其包括用于對所述多個磁性存儲器單元的一部分進行編程的第一可編程電流源，所述第一可編程電流源包括第一控制器和耦合至所述第一控制器的第一電流源，所述第一控制器用于確定由所述第一電流源提供的第一電流，所述第一控制器包括至少第二磁性元件，所述至少第二磁性元件基本與所述第一磁性元件相同，所述第一控制器基于所述至少第二磁性元件對由所述第一電流源提供的所述第一電流進行控制；以及(c)提供第二自適應電流源，其包括用于對所述多個磁性存儲器單元的一部分進行編程的第二可編程電流源，所述第二可編程電流源包括第二控制器和耦合至所述第二控制器的第二電流源，所述第二控制器用于確定由所述第二電流源提供的第二電流，所述第二控制器包括至少第三磁性元件，所述至少第三磁性元件基本與所述第一磁性元件相同，所述第二控制器基于所述至少第三磁性元件對由所述第二電流源提供的所述第二電流進行控制。
16.一種利用磁性存儲器的方法，所述磁性存儲器包括多個磁性存儲器單元，所述多個磁性存儲器單元的每一個至少一個包括至少第一磁性元件，所述方法包含在至少可編程電流源中對至少一個控制器的至少第二磁性元件進行編程，所述至少一個第二磁性元件基本與所述第一磁性元件相同，所述可編程電流源用于對所述多個磁性存儲器元件的一部分進行編程，所述至少一個可編程電流源還包括耦合至所述至少一個控制器的至少一個電流源；使用所述至少一個控制器基于所述至少第二磁性元件對由所述至少一個電流源提供的至少一個電流進行控制。
17.一種對磁性存儲器進行編程的方法，所述磁性存儲器包括多個磁性存儲器單元，所述多個磁性存儲器單元的每一個包括第一磁性元件，所述方法包含對至少第一自適應電流源的至少第二磁性元件進行編程，所述第一自適應電流源包括用于對所述多個磁性存儲器單元的一部分進行編程的第一可編程電流源，所述第一可編程電流源包括第一控制器和耦合至所述第一控制器的第一電流源，所述第一控制器用于基于所述至少第二磁性元件確定由所述第一電流源提供的第一電流，所述第一控制器包括所述至少第二磁性元件，所述至少第二磁性元件基本與所述第一種磁性元件相同；以及對第二自適應電流源的至少第三磁性元件進行編程，所述第二自適應電流源包括用于對所述多個磁性存儲器單元的所述部分進行編程的第二可編程電流源，所述第二可編程電流源包括第二控制器和耦合至所述第二控制器的第二電流源，所述第二控制器用于基于所述至少第三磁性元件確定由所述第二電流源提供的第二電流，所述第二控制器包括所述至少第三磁性元件，所述至少第三磁性元件基本與所述第一磁性元件相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于提供磁性存儲器的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)包括提供多個磁性存儲器單元和至少一個可編程電流源。多個磁性存儲器單元中的每一個都包括第一磁性元件?？删幊屉娏髟从糜趯Χ鄠€磁性存儲器單元的一部分進行編程。每個可編程電流源包括控制器和耦合至該控制器的電流源。控制器用于確定由電流源提供的電流，且包括至少第二磁性元件。第二磁性元件基本與第一磁性元件相同?？刂破骰谥辽俚诙判栽_定由電流源提供的電流。
文檔編號G11C13/00GK1849668SQ200480026313
公開日2006年10月18日 申請日期2004年8月11日 優(yōu)先權日2003年8月11日
發(fā)明者D·曾, X·史, P·K·王, H·K·K·楊, D·胡 申請人:磁旋科技公司