用于提供用于磁性存储器的可编程电流源的方法和系统的制作方法

专利名称：用于提供用于磁性存储器的可编程电流源的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及读取非易失磁性存储器，例如磁性随机存取存储器(MRAM)，并具体涉及一种用于提供更可靠的磁性元件的方法和系统，所述磁性元件更少受到由于处理所导致变化的影响。
背景技术：
动态随机存取存储器(DRAM)、闪存(FLASH)和静态随机存取存储器(SRAM)是市场上三种主要的传统半导体存储器。DRAM的制造成本最低。但是，除了例如需要刷新、相对低的速度和高功耗的缺点以外，DRAM还是易失性的。因此，当电源关闭时DRAM失去数据。FLASH存储器是非易失性的，但是非常慢。用于FLASH存储器的写入周期持续时间(endurance)少于一百万个周期。该写入周期持续时间限制了FLASH存储器在一些高数据率市场中的应用。SRAM是快速存储器。但是，SRAM是易失性的，并且每单元占用太多的硅区域。在寻找提供高速、非易失、小单元区域和令人满意的持续时间的通用随机存取存储器的过程中，许多公司正在开发薄膜磁性随机存取存储器(MRAM)。
传统的MRAM能够利用存储器单元进行制造，所述存储器单元使用多个磁性元件，例如各向异性的磁阻(AMR)元件、巨磁阻(GMR)元件以及磁性隧道结(MTJ)叠层。例如，传统MTJ叠层的制造和使用都相对简单。因此，利用传统的磁性单元中的MTJ叠层的MRAM被用作这里的主要例子。
用于改变可变磁矢量方向的磁场通常由基本相互垂直的两条导线提供。当电流同时经过两条导线时，与两条导线中的电流有关的两个磁场作用在可变磁矢量上，以确定其方向。
图1示出传统的MRAM 1的一部分。传统的MRAM包括传统的垂直导线10和12，传统的磁性存储单元具有传统的MTJ叠层30和传统的晶体管13。在一些设计中，传统的晶体管13被二极管代替或完全省略，而传统的MTJ单元30直接与传统的字线10相接触。传统的MRAM 1利用存储器单元中的传统磁性隧道结(MTJ)叠层30。传统的MTJ叠层30的使用使得有可能设计出一种具有高集成密度、高速、低读取功率和软误差率(SER)免疫性(immunity)的MRAM单元。导线10和12用于把数据写入磁性存储装置30中。MTJ叠层30位于传统的导线10和12的交叉点处，并在导线10和12之间。传统的导线10和12分别被称为传统的字线10和传统的位线12。但是，这些名称可互换。也可以使用其它名称，例如行线、列线、数字线和数据线。
传统的MTJ 30叠层主要包括具有可变磁矢量(未明确示出)的自由层38、具有固定磁矢量(未明确示出)的栓层(pinned layer)34，以及在两个磁性层34和38之间的绝缘体36。绝缘体36通常具有一厚度，该厚度足够低，以允许在磁性层34和38之间穿过电荷载流子。因此，绝缘体36通常在磁性层34和38之间充当隧道阻挡层(tunnelingbarrier)。层32通常是种子(seed)层和被牢固耦合至栓磁性层(pinnedmagnetic layer)的反铁磁性(AFM)层的合成物。包含在层32中的AFM层通常是锰(Mn)合金，例如铱锰(IrMn)、镍锰(NiMn)、钯锰(PdMn)、铂锰(PtMn)、铬铂锰(CrPtMn)等等。AFM层通常被牢固地交换(exchanged)耦合至栓层34，以保证栓层34的磁矢量被牢固地固定在特殊方向上。
当自由层38的磁矢量与栓层34的磁矢量对准时，MTJ叠层30处于低阻抗状态。当自由层38的磁矢量与栓层34的磁矢量逆平行时，MTJ叠层30处于高阻抗状态。因此，当层34和38的磁矢量平行时，跨过绝缘层34所测量的MTJ叠层30的阻抗比当层34和38的磁矢量处于相反方向时所测量的MTJ叠层30的阻抗低。
数据通过把磁场施加到传统的MTJ叠层30而被储存在传统的MTJ叠层30中。所施加的磁场具有选定的方向，以把自由层30的可变磁矢量移动到选定的方向。在写入期间，在传统的位线10中流动的电流I1和在传统的字线10中流动的I2在自由层38上产生两个磁场。响应于由电流I1和I2所产生的磁场，自由层38中的磁矢量被定位在特殊、稳定的方向上。该方向取决于电流I1和I2的方向和幅度以及自由层38的属性和形状。通常，写入零(0)需要电流I1或I2的方向与写入一(1)时的方向不同。通常，所对准的方向能够被指定成逻辑1或逻辑0，而未对准的方向相反，即，分别是逻辑0或1。
虽然传统的MRAM 1能起作用，但是本领域的普通技术人员容易明白传统的MRAM 1易出故障。因此，场和因此需要写入传统的MTJ叠层30的电流取决于多种因素。特别是，需要用于转变自由层38中可变磁矢量的方向、且因此是转换电流(switching current)的磁场的幅度取决于传统的MTJ叠层30的属性，例如传统的MTJ叠层30的膜32、34、36和38的厚度，磁性膜34和38的晶体结构。这些属性是由处理决定的，以及由处理工具决定的。由于处理过程中不可避免的变化，以及从晶片到晶片的以及横过任何单晶片的均匀性的变化，不同的传统MTJ叠层30可能需要不同的要被写入的编程电流(具有朝向所需方向的自由层38的磁化)。如果不提供不同的编程电流，则传统的MTJ叠层30可能不被写入，或邻接的传统MTJ叠层(未示出)可能被意外写入。而且，用于为传统的自由层38转换磁矢量方向所需的转换场和电流可能由温度决定。特别是，在较低温度时需要更大的电流。因此，使用传统的MTJ叠层30的传统的磁性存储器1的性能可能受到损害。
因此，需要提供一种能够具有改进的可靠性和性能的磁性存储器的方法和系统。

发明内容
本发明提供一种方法和系统，用于提供磁性存储器。该方法和系统包含提供多个磁性存储器单元和至少一个可编程电流源。多个磁性存储器单元的每一个都包括第一磁性元件。可编程电流源用于对多个磁性存储器单元的一部分进行编程。每个可编程电流源包括控制器以及耦合至控制器的电流源。控制器用于确定由电流源所提供的电流，且至少包括第二磁性元件。第二磁性元件基本与第一磁性元件相同。由电流源提供的电流基于至少第二磁性元件被确定。
根据这里所公开的系统和方法，本发明提供一种用于提供具有改进的性能和可靠性的磁性存储器元件的方法。


图1是包括位于位线和字线的交叉处的MTJ单元的传统磁性存储器的一部分的三维视图。
图2示出根据本发明的可编程电流源的一个实施例的高级别(high-level)图。
图3A是根据本发明的可编程电流源的第一实施例的更详细的图。
图3B是根据本发明的可编程电流源的第一实施例的第二形式的更详细的图。
图3C是根据本发明的可编程电流源的第一实施例的第三形式的更详细的图。
图4A是根据本发明的可编程电流源的第二实施例的更详细的图。
图4B是根据本发明的在可编程电流源的第二实施例中所使用的电流源的实施例的更详细的图。
图4C是根据本发明、用于可编程电流源的第二实施例的控制器的一个实施例的一部分的更详细的图。
图4D是根据本发明的可编程电流源的第二实施例的第二形式的更详细的图。
图5是根据本发明、提供由温度决定的电流的可编程电流源的第三实施例的更详细的图。
图6示出根据本发明的使用可编程电流源的第四实施例的磁性存储器的一部分的一个实施例。
图7示出根据本发明的使用可编程电流源的存储器的一个实施例的高级别图。
具体实施例方式
本发明提供一种用于读取包括多个磁性元件的磁性存储器的方法和系统。该方法和系统包含确定多个磁性元件中至少一个的第一阻抗。该方法和系统还包含把干扰磁场施加到多个磁性元件的至少一个，以及当施加干扰磁场时，确定多个磁性元件中的至少一个的第二阻抗。该方法和系统进一步包含对第一阻抗与第二阻抗进行比较。
本发明提供一种用于提供磁性存储器的方法和系统。该方法和系统包含提供多个磁性存储器单元和至少一个可编程电流源。多个磁性存储器单元中的每一个都包括第一磁性元件。可编程电流源用于对多个磁性存储器单元的一部分进行编程。每个可编程电流源包括控制器以及耦合至控制器的电流源。控制器用于确定由电流源提供的电流，并且至少包括第二磁性元件。第二磁性元件基本与第一磁性元件相同。控制器基于至少第二磁性元件确定由电流源提供的电流。
本发明将会根据特殊类型的磁性存储器元件、特殊材料和特殊配置的元件进行描述。例如，本发明将在下文的示例性磁性随机存取存储器(MRAM)单元中进行描述。但是，本领域的一名普通技术人员将容易认识到本发明不被限制于任何特殊的磁性存储器装置。因此，本领域的一名普通技术人员将容易认识到，这种方法和系统将会对与本发明并非不一致的其它磁性存储器单元以及其它的材料和配置进行有效地操作。而是，本发明可适用于其它的磁性存储器装置。本发明还在下文的磁性隧道结(MTJ)叠层中进行描述。但是，本领域的一名普通技术人员将容易认识到，本发明不被限制于这种装置。而是，与本发明并非不一致的其它装置，还可以使用例如旋转阀(spin-valve)或其它GMR磁性元件或AMR元件。本领域的一名普通技术人员也将认识到，可选的磁性元件可以用于或不用于对这里所描述的结构部分的更改中。另外，本发明在下文的每一磁性存储器单元的单个磁性元件中进行描述。但是，本领域的一名普通技术人员将容易认识到，可以使用多个元件。
为了更具体地例示根据本发明的方法和系统，现在参考图2，其示出根据本发明的可编程电流源100的一个实施例的高级别图。可编程电流源100用于提供电流，以对磁性存储器中的存储器单元(未示出)的若干部分(包括全部)进行编程。因此，电流源100被用在磁性存储器单元内部的编程磁性元件中。在优选的实施例中，可编程电流源100被用在编程MTJ叠层中，例如在图1中所示的MTJ叠层30。参考图1和图2，例如，可编程电流源100可以用于提供I1和/或I2，如上所述。优选地，可编程电流源100把电流提供给比磁性存储器中所有磁性元件少的磁性元件。例如，磁性存储器可以被划分成存储器单元组(bank)的阵列。在这种实施例中，每个组可以对应于特殊的可编程电流源100，且由特殊的可编程电流源100进行写入。
可编程电流源100包括至少一个电流源102和至少一个控制器104。电流源102产生和输出电流，该电流用于对存储单元中的磁性元件，例如MTJ叠层30进行编程。控制器104控制由电流源102提供的电流。在优选的实施例中，控制器104控制由电流源102所提供电流的幅度。每个控制器104包括至少一个磁性元件106。优选地，控制器104中的磁性元件106基本与正被编程的磁性元件相同。控制器中的磁性元件106被控制器104用于确定适当的控制信号，以提供给电流源102，以及，因此确定由电流源102输出的电流。因此，控制器104基于磁性元件106来确定电流源102提供的电流。在优选的实施例中，控制器104中的磁性元件106是MTJ叠层，例如MTJ叠层30。在可选实施例中，磁性元件106可能是其它的结构，例如旋转阀或其它的GMR结构或AMR元件。
因此，控制器104中的磁性元件106能用于保证由可编程电流源100提供的电流考虑了许多上述问题，特别是如果可编程电流源100被用于磁性存储器的部分(sections)时。用于形成磁性元件，例如MTJ叠层30的相同的处理和工具优选地用于形成磁性元件106。因此，通过使用磁性元件106，控制器104能解决用于数据存储的磁性元件中的不均匀性和其它问题。结果，电流源102提供适当的电流，用于对用于数据存储的相应磁性元件进行编程。例如，使用磁性元件106，一个或多个控制器104能够控制一个或多个电流源输出电流，该电流具有至少部分基于磁性元件106的转换特性或磁性元件106的阻抗的值。因此，用于对存储数据的磁性元件进行编程的电流能够至少部分地基于磁性元件的转换特性或磁性元件的阻抗而被控制。
图3A示出根据本发明的可编程电流源120的第一实施例的更详细的图。因此，可编程电流源120被用在磁性存储器单元内的编程磁性元件中。在优选的实施例中，可编程电流源120被用在编程MTJ叠层中，例如在图1中所示的MTJ叠层30。参考图1和图3A，例如，可编程电流源120可用于提供I1和I2，如上所述。还在优选的实施例中，可编程电流源120把电流提供给磁性存储器中的一部分磁性元件。例如，磁性存储器可以被划分成组，每个组对应于特殊的可编程电流源120，或由特殊的可编程电流源120进行写入。
可编程电流源120包括电流源122和控制器128。可编程电流源120是图2中所示的可编程电流源100的一个实施例。因此，电流源122和控制器128分别对应于电流源102和控制器104，如图2所示。回到参考图3A，电流源122包括P沟道电阻124和126，以及输出127。输出127提供电流I120作为输出。电流源122是镜像电流源。
控制器包括电阻R1，其是磁性元件130。磁性元件130优选为MTJ叠层。但是，在可选实施例中，磁性元件130可能是其他结构。优选地，磁性元件130与正使用可编程电流源120进行编程的磁性元件(未示出)相同。磁性元件130能使用线132进行写入。电流源122的输出电流I120由流过控制器128的磁性元件130的电流进行控制。
磁性元件130的阻抗和晶体管124和126的参数确定由电流源122提供的输出电流I120的幅度。如果两个晶体管124和126的沟道宽度和长度相同，则两个晶体管的源极电流相同。输出电流I120的值由下式给出I120＝(Vdd-Vdg)/R1其中Vdd＝晶体管的漏极和地之间的电压降Vdg＝晶体管的漏极和栅极之间的电压降。
R1＝磁性元件130的阻抗在可编程电流源120中，磁性元件130的阻抗R1能使用通过线132驱动的写入电流而被改变。因此，磁性元件130的阻抗改变能改变输出电流I120的幅度。如果磁性元件130是MTJ叠层，例如图1的MTJ叠层30，那么阻抗R1能改变大约30％(在MTJ叠层的低阻抗和高阻抗状态之间)。在这种实施例中，控制器128能提供对输出电流I120的百分之三十的调整。
因此，控制器128能通过磁性元件130的阻抗来控制电流源122，以提供可变的、可编程的电流。用于对存储数据的磁性元件进行编程的电流能够至少部分基于磁性元件130的阻抗而被控制。控制器128中的磁性元件130还能被用于保证由可编程电流源120提供的电流考虑了处理方法和工具的变化以及晶片的变化，尤其是如果可编程电流源120用于磁性存储器的部分时。
图3B示出根据本发明的可编程电流源的第一实施例的第二形式120′的更详细的图。可编程电流源120′基本包括与图3A中所示的可编程电流源120相同的组件。参考图3A和3B，可编程电流源120′的模拟组件以与可编程电流源的部件相似的方式进行标记。可编程电流源120′由此被用于对磁性存储器单元内的磁性元件编程。在优选的实施例中，可编程电流源120′被用于对MTJ叠层，例如在图1中所示的MTJ叠层30进行编程。例如，参考图1和图3B，可编程电流源120′可以用于提供I1和/或I2，如上所述。也在优选的实施例中，可编程电流源120′把电流提供给磁性存储器内的一部分磁性元件。例如，磁性存储器可以被划分为分区(partition)的阵列，每个分区对应于特殊可编程电流源120′，且由特殊可编程电流源120′进行写入。
可编程电流源120′包括电流源122′和控制器128′。电流源122′与电流源122相似且因此基本包含相同的组件。虽然控制器128′对应于控制器128，但是控制器128′具有多个并联耦合的磁性元件130A、130B和130C。磁性元件130A、130B和130C分别具有阻抗R1′、R1″和R1。虽然三个磁性元件130A、130B和130C被示出，但是还可以使用其它数目的磁性元件。磁性元件130A、130B和130C分别是使用写入线132A、132B和132C的控制器。
参考图3A和图3B，在磁性元件130中具有稳定处于低值或高值的阻抗R1。因此，控制器128以二进制方式调整输出电流I120的幅度。在图3B的可编程电流源120′中，可编程电流源120的单个磁性元件130已经被多个磁性元件130A、130B和130C所代替。使用具有多条用于编程的写入线132A、132B和132C的多个磁性元件130A、130B和130C使得对I120′中变化的分辨率得以提高。磁性元件130A、130B和130C分别具有阻抗R1′、R1″和R1″。
流过控制器128′的电流以及因此由电流源122′输出的电流取决于磁性元件130A、130B和130C的阻抗的组合。如果每个阻抗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的阻抗组合的总有效阻抗能根据各磁性元件130A、130B和130C的状态具有四个不同值。总阻抗的可能值是R0/3、R0(R0+ΔR0)/(3R0+2ΔR0)、R0(R0+ΔR0)/(3R0+ΔR0)和(R0+ΔR0)/3。因此，可编程电流源120′能提供具有四个不同值的电流I120′。对于相同的晶体管124′和126′而言，电流的四个值由下式给出I120′＝(Vdd-Vdg)/Ri，其中Ri能具有上述四个值的其中之一。
可编程电流源120′由此基本具有与可编程电流源120相同的好处。另外，可编程电流源120′提供能具有多个值的输出电流。能够控制输出电流I120′所使用的粒度(granularity)取决于磁性元件，例如磁性元件130A、130B和130C的数目。磁性元件的数目越多，对由可编程电流源120′提供的电流的控制就更佳。注意，虽然磁性元件130A、130B和130C被示出为并联耦合，但是也可能有提供对输出电流I120′的编程进行更佳控制的磁性元件130A、130B和130C的其他布置。
图3C示出根据本发明的可编程电流源的第一实施例的第三形式120″的更详细的图。可编程电流源120′包括一些与在图3A中所示的可编程电流源120相同的组件。参考图3A和图3C，可编程电流源120″的相似组件以与可编程电流源120的组件相似的方式进行标记。可编程电流源120″由此被用于磁性存储器单元内的编程磁性元件。在优选的实施例中，可编程电流源120″被用于对MTJ叠层，例如图1中所示的MTJ叠层30进行编程。参考图1和图3C，例如，可编程电流源120″可以用于提供I1和/或I2，如上所述。还在优选的实施例中，可编程电流源120″把电流提供给磁性存储器内的一部分磁性元件。例如，可以把磁性存储器划分为分区的阵列，每个分区对应于特殊可编程电流源120″，且由特殊可编程电流源120″进行写入。
可编程电流源120″包括电流源122″和控制器128″。电流源122″与电流源122相似且因此基本包含相同的组件。电流源122″因此是镜像电流源。虽然控制器128″对应于控制器128，但是还包括另外的元件。控制器128″包括具有相应的写入线132″的磁性元件130″，以及N沟道晶体管134和136。磁性元件130″优选为MTJ叠层。但是，磁性元件130″可以包括其它结构，例如GMR或AMR结构。磁性元件130″的阻抗是R2。在优选的实施例中，磁性元件130″具有对应于两个稳定阻抗的两个稳定状态。
晶体管的122的源极电流与晶体管136的漏极电流相等。晶体管124″的漏极电流等于ID126＝I124″*W126″*L124″/(W124″*L126″)其中I126″是126″的漏极电流I124″是124″的漏极电流W126″是126″的沟道宽度W124″是124″的沟道宽度L126″是126″的沟道长度L124″是124″的沟道长度晶体管136的漏极电流能通过改变磁性元件130″的阻抗而发生变化。晶体管136漏极电流的改变导致提供给电流源122″的电流发生变化，并且因此导致输出电流I120″发生变化。通过使用写入线132″对磁性元件130″进行编程而改变磁性元件130″的阻抗。因此，能通过对磁性元件130″进行编程而对输出电流源进行编程。
可编程电流源120″能以与在图3A中所示的可编程电流源120相似的方式，提供具有两个幅度的其中之一的输出电流。输出电流I120″值的变化范围由阻抗R2的变化范围确定。为了提高对I120″中变化的分辨率，磁性元件130″可以是磁性元件阵列，优选地，每个磁性元件具有相应的写入线，其方式与在图3B中所示的可编程电流源120′的相似。回到参考图3C，如果使用磁性元件阵列代替磁性元件130″，那么磁性元件能够被并联耦合。可选地，磁性元件能够串联连接或把串联和并联连接进行组合。可编程电流源120″由此基本具有与可编程电流源120相同的好处。
图4A示出根据本发明的可编程电流源的第二实施例150的更详细的图。可编程电流源150包括多个电流源152、154和156，以及多个控制器160、170和180。在所示出的实施例中，每个电流源152、154和156分别由各自指定的控制器160、170和180进行控制。在这种实施例中，每个电流源和控制器组合152和160、154和170、156和180可被视为在可编程电流源150内各自独立的可编程电流源。但是，在可选实施例中，控制器160、170和180可以控制多于一个电流源。另外，尽管示出三个电流源152、154和156和三个控制器160、170和180，但可能有具有其他数目的电流源和/或控制器的可编程电流源150。电流源152、154和156优选为对应于电流源102、122、122′和122″，且具有与电流源102、122、122′和122″相似的结构。但是，有可能有具有其他结构的电流源152、154和156。此外，不需要电流源152、154和156提供相同的电流。而是，电流源152、154和156可以提供不同的电流。控制器160、170和180优选为对应于控制器104、128、128′和128″。但是，如下所述，控制器160、170和180的结构优选为不同。
每个控制器160、170和180都分别包括锁存器单元162、172和182，以及晶体管164、174和184。锁存器单元162、172和182的一个实施例在下面被描述。晶体管164、174和184分别由锁存器单元162、172和182开启或关闭。每个锁存器单元162、172和182都分别包括一个或多个磁性元件166、176和186。磁性元件166、176和186分别用于确定锁存器单元162、172和182是否开启晶体管162、174和184。晶体管164、174和184分别由锁存器单元162、172和182基于磁性元件166、176和186的属性进行控制。
可编程电流源150的总输出电流I150由输出端158提供。该输出电流被用于对磁性存储器的部分单元进行编程。电流源152、154和156分别通过晶体管164、174和184被并联耦合。因此，基于锁存器单元162、172和182，晶体管164、174和184分别被选择性地耦合至输出端158。如下所述，锁存器单元162、172或182的输出分别取决于各锁存器单元162、172或182内的磁性元件166、176或186的状态。基于磁性元件166、176或186是否处于高阻态和低阻态，相应的锁存器单元162、172或182的输出分别为高或低。如果锁存器单元162、172或182的输出为逻辑高，则相关的晶体管164、174或184分别被开启。当晶体管164、174或184被开启时，相关的电流源152、154或156各自对I150作出贡献。因此，晶体管164、174和184分别有效地起到用作电流源152、154和156的开关的作用。因此，I150的幅度通过分别对锁存器单元162、172和182中的磁性元件166、176和186进行编程而被调整，以改变锁存器的输出，用于开启或关闭晶体管164、174和184。
因此，使用可编程电流源150，可以使用可变、可编程的电流对存储器单元(未示出)中的磁性元件(未示出)进行编程。控制器160、170和180中的磁性元件166、176和186可以分别用于保证由可编程电流源150提供的电流考虑了处理方法和工具的变化以及晶片的变化，尤其是如果可编程电流源150被用于部分磁性存储器时。另外，可编程电流源150提供能具有多个值的输出电流。控制输出电流150所使用的粒度分别取决于电流源152、154和156的数目以及控制器160、170和180的数目。电流源152、154和156和控制器160、170和180的组合的数目越大，对由可编程电流源150提供的电流的控制也就更佳。
图4B示出根据本发明在可编程电流源的第二实施例中所使用的电流源190的一个实施例的更详细的图。优选地，电流源190用于如图4A中所示的电流源152、154和156。但是，有可能使用其他电流源。参考图4A和图4B，电流源190包括具有P-沟道晶体管192和194的镜像电流源。电流源190还包括电阻196。但是，优选地，电阻196不是磁性元件。因此，优选地，电流源190的输出、以及因此电流源152、154和156的输出不被分别编程。而是基于电阻器196的阻抗提供相对恒定的输出。由此，把对可编程电流源150进行编程改为把电流源152、154和156耦合至可编程电流源150的输出端158。
图4C示出根据本发明用于可编程电流源的第二实施例的控制器200的一部分的更详细的图。控制器200优选用作如图4A中所示的控制器160、170和180。参考图4A和图4C，控制器200包括锁存器单元201和晶体管220。锁存器单元201优选用作每个锁存器单元162、172和182。晶体管220优选用作每个晶体管164、174和184。晶体管220优选为MOS晶体管。
锁存器单元201包括P-沟道晶体管202和212、反相器204和214、N-沟道晶体管206和216以及磁性元件208和218，其分别被示为具有写入线209和219的电阻。磁性元件208和218优选对应于磁性元件166、176和186。因此，每个锁存器单元162、172和182优选包括两个磁性元件。磁性元件208和218基本与要被编程的磁性元件(未示出)相同。在优选的实施例中，磁性元件208和218是MTJ叠层，例如MTJ叠层30。但是，有可能使用另其他磁性元件，例如GMR或AMR磁性元件。锁存器单元201的输出能由反相器204和214提供。在所示出的实施例中，反相器214被用于把输出提供给晶体管220。输出为高逻辑值或低逻辑值。因此，锁存器单元201能被用于驱动晶体管220的栅极。
因此，当用作控制器160、170和180时，控制器200能驱动晶体管220(并因此晶体管164、174和184)，以选择性地把特殊电流源152、154和156连接至输出端158(或从输出端158断开)。因此，每个电流源152、154和156选择性地对输出电流I150作出贡献。因此，电流源152、154和156能用于调整电流的总幅度，以开启或关闭特殊的电流支路，以调整电流驱动器的总幅度。锁存器单元201的输出被保持，即使在提供给控制器200的电源被关闭的情况下也是如此。如果磁性元件218被编程，以具有比磁性元件208更高的阻抗，则当电源被开启时，反相器204具有逻辑“高”而反相器214具有逻辑“低”。否则，如果磁性元件218被编程，以具有比磁性元件208更小的阻抗，则反相器204和214的输出被颠倒。因此，使用控制器能够对输出电流I150进行编程。
图4D示出根据本发明的可编程电流源的第二实施例的第二形式150′的更详细的图。可编程电流源150′对应于如图4A中所示的电流源150，且因此具有许多相似的组件。参考图4A和图4D，对相似的组件进行相同地标记。因此，可编程电流源150′包括分别具有锁存器单元162′，172′和182′和晶体管164′、174′和184′的控制器160′、170′和180′。在优选的实施例中，在图4C中示出的控制器200被用作控制器160′、170′和180′。因此，晶体管164′、174′和184′分别使用磁性元件166、176和186进行控制，以选择性地把电流源152′、154′和156′耦合至输出端158′。因此，晶体管164’、174’和184′分别有效地起到用于电流源152′、154′和156′的开关的作用。电流源152′、154′和156′分别对应于电流源152、154和156。因此，在图4B中示出的电流源190优选用作各电流源152′、154′和156′。另外，图4C的控制器200优选用作控制器160′、170′和180′。图4D中还示出数据编程线157和晶体管159。
在可编程电流源150′中，输出端158′被耦合至数据编程线157。在线157的另一端，晶体管159优选地耦合于地。存在于晶体管164′、174′和184′与晶体管159之间的存储器的部分磁性元件(未示出)可以使用可编程电流源150′进行编程。晶体管159充当开关。晶体管159的规格(size)应该足以容纳电流源152′、154′和156′的输出电流I1′、12′和13′的总和。可编程电流源150′基本具有与电流源150相同的好处。另外，晶体管159使可编程电流源150′能够被断开。
图5示出根据本发明的可编程电流源250的第三实施例的更详细的图，该实施例提供可编程的以及由温度决定的电流。可编程电流源250由此用于对磁性存储器单元内的磁性元件进行编程。在优选的实施例中，可编程电流源250用于对MTJ叠层，例如图1中所示的MTJ叠层30进行编程。例如，参考图1和图5，可编程电流源250可以用于提供I1和/或I2，如上所述。而且，在优选的实施例中，可编程电流源250把电流提供给磁性存储器内的一部分磁性元件。例如，可以把磁性存储器划分为分区的阵列，每个分区对应于特殊的可编程电流源250，且由特殊的可编程电流源250进行写入。参考图2和图5，可编程电流源250包括电流源260和控制器270。电流源260对应于电流源102而控制器270对应于控制器104。
电流源260优选为具有P-沟道晶体管262和264的镜像电流源。输出电流1250由电流源260提供，且因此可编程电流源250由通过控制器270输入到镜像电流源的电流进行控制。因此，电流源250以与图3A中所示的电流源122相似的方式起作用。
回到参考图5，控制器270包括至少一个示出为电阻的磁性元件274以及N-沟道晶体管272。磁性元件274优选为具有编程线275的MTJ叠层。在这方面，可编程电流源250以与图3A中所示的可编程电流源120相似的方式起作用。回到参考图5，因此，通过把具有正确的幅度和方向的电流提供给编程线275、以改变磁性元件274的阻抗值，能够对输出电流幅度进行编程。因此，能够通过对磁性元件274进行编程而对输出电流1250进行编程。
控制器270还包括温度传感器276。在优选的实施例中，温度传感器276包括晶体管277、278和279，其优选为对双极晶体管进行连接所形成的二极管。但是，在可选实施例中，能够使用其他的温度传感器。另外，能够使用更少或更多的晶体管277、278和279，使得可编程电流源250的输出电流对室温偏差(bias)进行调整，以满足设计要求。pn-结晶体管277、278和279还能与电阻相串联，以调整输出电流的温度灵敏度，以与所需的MRAM单元(未示出)的写入电流的温度灵敏度相匹配。
晶体管277、278和279与晶体管272相结合使输出电流作为温度的函数而出现。对晶体管277、278和279进行连接所形成的二极管提供本发明中的温度感知功能，且能被二极管所代替。通常，跨越硅中前向偏置的pn结的压降取决于具有大约为-2mV/K梯度(gradient)的温度。具有该温度系数的晶体管277、278和279优选用于片上温度测量。pn结的前向偏置大约为0.7V。如果温度以100摄氏度进行改变，则前向偏置电压的百分比改变是-200/700或大约28％的显著改变。在一些半导体器件，例如双极MOS(BiCMOS)技术的双极型晶体管或标准COMS技术的横向和纵向双极型装置之中，可找到容易获得的(accessible)的pn结。在双极技术的情况下，连接为二极管的NPN或PNP晶体管能够用作各晶体管277、278和279。在CMOS技术的情况下，衬底PNP或衬底NPN应该分别用于n-阱(well)和p-阱COMS技术。对于优选CMOS技术的n-阱技术而言，由n-阱和p-型衬底内的P+扩散形成PNP晶体管。P+扩散形成发射极，n-阱形成基极，并且p-型衬底形成集电极。
N-沟道晶体管272的栅极由跨越三个发射极-基极pn结晶体管277、278和279的前向偏置电压进行偏置。当可编程电流源250被用于的磁性存储器的温度升高时，跨越晶体管277、278和279的前向偏置电压下降。因此，晶体管272的栅极-源极电压下降。因此，晶体管272的源极电流减小。因为对电流源260使用镜像电流源，所以输出电流I250减小，达到当芯片温度上升时减小MRAM单元的写入电流的目的。注意，温度传感器276能够具有适当的正温度系数。
因此，控制器270能够通过磁性元件274的阻抗对电流源260进行控制，以提供可变的、可编程的电流。因此，能够获得电流源120的优点。另外，如果使用多个磁性元件来代替磁性元件274，那么能够获得对电流进行编程的更佳控制。而且，可编程电流源250把温度灵敏度与电流的编程合为一体。特别是，输出电流的幅度随温度升高而降低。如上所述，需要写入磁性元件的转换电流随温度升高而减小。而且，当磁性元件的规格降低时，写入电流的温度依赖性增大。因此，当存储器变得更为密集且使用更小的磁性元件时，转变电流随温度的改变变得更加显著。因此，若不基于温度对写入电流进行调整，磁性存储器可能出故障。可编程电流源250允许对温度自动进行考虑。可编程并对磁性存储器的温度而言适当的电流可以由可编程电流源250来提供。因此，使用可编程电流源250的磁性存储器的性能可得以改善。
图6示出使用根据本发明的可编程电流源的第四实施例的磁性存储器300的一部分的一个实施例。磁性存储器300使用可编程电流源310对至少一部分磁性存储器单元(未明确示出)进行编程。可编程电流源310包括自适应(adaptive)电流源320和330。优选地，使用一个或多个可编程电流源100、120、120′、150、150′和/或250形成自适应电流源320和330。因此，每个自适应电流源320和330包括至少一个控制器(未明确示出)和至少一个电流源，该控制器基于磁性元件对电流进行控制。而且，自适应电流源320和330优选包括独立的控制器(未明确示出)，且因此是独立的。
可编程电流源310耦合至写入线340，其提供电流，用于对磁性存储器300的一部分磁性存储器单元(未示出)中的磁性元件(未示出)进行编程。写入线340与开关342和344相连。可编程电流源310耦合至写入线340，使得自适应电流源320把电流提供给通到开关344的写入线340。同样地，可编程电流源310耦合至写入线340，使得适应电流源330把电流提供给通到开关342的写入线340。通常，为了把MRAM单元从一个内容(例如，分别地，逻辑“0”或逻辑“1”)写成另一内容(例如，分别地，逻辑“1”或逻辑“0”)，所使用的位线电流是双向的。特别是，对“0”进行编程所使用的电流方向与对“1”进行编程所使用的电流方向相反。另外，需要写入磁性元件(未示出)的两个电流的幅度可以不同，其取决于正被编程的磁性元件(未示出)的属性。分别与两个独立电流开关344和342相匹配的两个独立的自适应电流源320和330的使用能够用于独立提供并优化不同方向的两个电流。因此，当自适应电流源320用于提供电流时，晶体管344被开启，而电流从左至右流动，如图6所示。当使用自适应电流源330时，晶体管342被关闭，而电流从右至左流动，如图6所示。
使用可编程电流源310基本能获得与对于可编程电流源100、120、120′、150、150′和250而言相同的好处。当双(bi)可编程电流源300用作存储器300的一部分时，晶片上的变化也被考虑。而且，在反方向上的电流能使用可编程电流源300进行提供。因此，使磁性存储器的写入变得容易且性能被提高。
图7示出使用根据本发明的可编程电流源的存储器400的一个实施例的高级别图。磁性存储器400包括被划分为组402、404、406、408、410、412、414、416和418的存储器单元。本领域的一名普通技术人员将很容易认识到可以使用其他数目的组。如上所述，可编程电流源100、120、120′、150、150′、250和300能用于对磁性存储器内的全部或部分单元进行编程。如果可编程电流源100、120、120′、150、150′、250和300用于对磁性存储器内的一部分单元进行编程，那么可以首先考虑跨越晶片以及从晶片到晶片的磁性单元的转换区域的变化。跨越管芯(die)或晶片的存储器单元的转换区域变化可以使用组402、404、406、408、410、412、414、416和418进行寻址(addressed)。每个组402、404、406、408、410、412、414、416和418有它自己的可编程电流源和变换器(sink)。按照编程电流的需求，一个组402、404、406、408、410、412、414、416或418可以不同于另一个组402、404、406、408、410、412、414、416和418，例如由于装置尺寸的变化、膜厚度以及膜属性的原因。为了寻址这个主题(issue)，每个组402、404、406、408、410、412、414、416、和418能有如上所述的一组可编程电流源100、120、120′、150、150′、250或300(未在图7中示出)以及变换器或晶体管开关(未示出)，用于驱动位线和字线。存储器400被划分成的组402、404、406、408、410、412、414、416和418的数目可能取决于多种因素，其包括所使用的晶片的均匀性。因此，如上所述，跨越特殊晶片的非均匀性能够被考虑。
已经公开了一种用于提供允许提高磁性存储器性能的可编程电流源的方法和系统。尽管本发明已经根据例示的实施例进行了描述，但是本领域普通技术人员将会理解存在对于这些实施例多种变体，且这些变化在本发明的精神和范围内。因此，不背离所附的权利要求的精神和范围，可以通过本领域的一名普通技术人员进行多种修改。
权利要求
1.一种磁性存储器，其包含多个磁性存储器单元，所述多个磁性存储器单元中的每一个都包括第一磁性元件；至少一个用于对所述多个可编程磁性存储器单元的一部分进行编程的可编程电流源，至少一个可编程电流源的每一个都包括控制器和耦合至所述控制器的电流源，所述控制器包括至少一个第二磁性元件，所述至少一个第二磁性元件基本与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来确定由所述电流源提供的电流。
2.根据权利要求1所述的磁性存储器，其中，所述电流源进一步包括镜像电流源。
3.根据权利要求2所述的磁性存储器，其中，所述控制器进一步包括偏置电路。
4.根据权利要求1所述的磁性存储器，其中，所述控制器进一步包括多个含有所述至少第二磁性元件的锁存器电路，所述多个锁存器电路用于选择性地驱动所述电流源。
5.根据权利要求1所述的磁性存储器，其中，所述控制器进一步包括温度传感器，以允许所述电流源提供温度敏感电流。
6.一种磁性存储器，其包含多个磁性存储器单元，所述多个磁性存储器单元中的每一个包括第一磁性元件；第一自适应电流源，其包括用于对所述多个磁性存储器单元的一部分进行编程的第一可编程电流源，所述第一可编程电流源包括第一控制器和耦合至所述第一控制器的第一电流源，所述第一控制器用于确定由所述第一电流源提供的第一电流，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与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对由所述第一电流源提供的所述第一电流进行控制；以及第二自适应电流源，其包括用于对所述多个磁性存储器单元的一部分进行编程的第二可编程电流源，所述第二可编程电流源包括第二控制器和耦合至所述第二控制器的第二电流源，所述第二控制器用于确定由所述第二电流源提供的第二电流，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与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对由所述第二电流源提供的所述第二电流进行控制。
7.根据权利要求6所述的磁性存储器，其中，所述第一电流源进一步包括镜像电流源。
8.根据权利要求7所述的磁性存储器，其中，所述第一控制器进一步包括偏置电路。
9.根据权利要求6所述的磁性存储器，其中，所述电流源进一步包括镜像电流源。
10.根据权利要求8所述的磁性存储器，其中，所述第二控制器进一步包括偏置电路。
11.根据权利要求6所述的磁性存储器，其中，所述第一控制器进一步包括含有所述至少第二磁性元件的多个锁存器电路，所述多个锁存器电路用于选择性地驱动所述第一电流源。
12.根据权利要求6所述的磁性存储器，其中，所述第二控制器进一步包括含有所述至少第三磁性元件的多个锁存器电路，所述多个锁存器电路用于选择性地驱动所述第二电流源。
13.根据权利要求6所述的磁性存储器，其中，所述控制器进一步包括温度传感器，以允许所述电流源提供温度敏感的电流。
14.一种用于提供磁性存储器的方法，其包含(a)提供多个磁性存储器单元，所述多个磁性存储器单元中的每一个都包括第一磁性元件；(b)提供至少一个用于对所述多个磁性存储器单元的一部分进行编程的可编程电流源，所述至少一个可编程电流源的每一个都包括控制器和耦合至所述控制器的电流源，所述控制器用于确定由所述电流源提供的电流，所述控制器包括至少一个第二磁性元件，所述至少一个第二磁性元件基本与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对由所述电流源提供的电流进行控制。
15.一种用于提供磁性存储器的方法，其包含(a)提供多个磁性存储器单元，所述多个磁性存储器单元的每一个都包括第一磁性元件；(b)提供第一自适应电流源，其包括用于对所述多个磁性存储器单元的一部分进行编程的第一可编程电流源，所述第一可编程电流源包括第一控制器和耦合至所述第一控制器的第一电流源，所述第一控制器用于确定由所述第一电流源提供的第一电流，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与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对由所述第一电流源提供的所述第一电流进行控制；以及(c)提供第二自适应电流源，其包括用于对所述多个磁性存储器单元的一部分进行编程的第二可编程电流源，所述第二可编程电流源包括第二控制器和耦合至所述第二控制器的第二电流源，所述第二控制器用于确定由所述第二电流源提供的第二电流，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与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对由所述第二电流源提供的所述第二电流进行控制。
16.一种利用磁性存储器的方法，所述磁性存储器包括多个磁性存储器单元，所述多个磁性存储器单元的每一个至少一个包括至少第一磁性元件，所述方法包含在至少可编程电流源中对至少一个控制器的至少第二磁性元件进行编程，所述至少一个第二磁性元件基本与所述第一磁性元件相同，所述可编程电流源用于对所述多个磁性存储器元件的一部分进行编程，所述至少一个可编程电流源还包括耦合至所述至少一个控制器的至少一个电流源；使用所述至少一个控制器基于所述至少第二磁性元件对由所述至少一个电流源提供的至少一个电流进行控制。
17.一种对磁性存储器进行编程的方法，所述磁性存储器包括多个磁性存储器单元，所述多个磁性存储器单元的每一个包括第一磁性元件，所述方法包含对至少第一自适应电流源的至少第二磁性元件进行编程，所述第一自适应电流源包括用于对所述多个磁性存储器单元的一部分进行编程的第一可编程电流源，所述第一可编程电流源包括第一控制器和耦合至所述第一控制器的第一电流源，所述第一控制器用于基于所述至少第二磁性元件确定由所述第一电流源提供的第一电流，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与所述第一种磁性元件相同；以及对第二自适应电流源的至少第三磁性元件进行编程，所述第二自适应电流源包括用于对所述多个磁性存储器单元的所述部分进行编程的第二可编程电流源，所述第二可编程电流源包括第二控制器和耦合至所述第二控制器的第二电流源，所述第二控制器用于基于所述至少第三磁性元件确定由所述第二电流源提供的第二电流，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与所述第一磁性元件相同。
全文摘要
本发明公开了一种用于提供磁性存储器的方法和系统。该方法和系统包括提供多个磁性存储器单元和至少一个可编程电流源。多个磁性存储器单元中的每一个都包括第一磁性元件。可编程电流源用于对多个磁性存储器单元的一部分进行编程。每个可编程电流源包括控制器和耦合至该控制器的电流源。控制器用于确定由电流源提供的电流，且包括至少第二磁性元件。第二磁性元件基本与第一磁性元件相同。控制器基于至少第二磁性元件确定由电流源提供的电流。
文档编号G11C13/00GK1849668SQ200480026313
公开日2006年10月18日 申请日期2004年8月11日 优先权日2003年8月11日
发明者D·曾, X·史, P·K·王, H·K·K·杨, D·胡 申请人:磁旋科技公司