穿隧式磁阻的感测装置及其感测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种穿隧式磁阻，特别涉及一种穿隧式磁阻的感测装置及其感测方法。
【背景技术】
[0002]自旋力矩转移-磁阻式磁性随机存取存储器(Spin Torque TransferMagneto-Resistive Magnetic Random-Access Memory, STT-MRAM)为非易失性存储器的下一代最佳候选者。自旋力矩转移-磁阻式磁性随机存取存储器包含多个磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)单兀。
[0003]请参照图1，磁性随机存取存储器单元100包含穿隧式磁阻(TunnelMagneto-Resistance, TMR)元件110与致能开关120。于此，致能开关120是以NMOS (N-channel Metal Oxide Semiconductor, N通道金属氧化物半导体)晶体管实现。穿隧式磁阻元件I1的一端连接至位元线(Bit Line)BL，并且穿隧式磁阻元件110的另一端连接至致能开关120的漏极端。致能开关120的源极端连接至源极线(Source Line)SL，且致能开关120的栅极端接收字元线(Word Line)信号WL。
[0004]其中，穿隧式磁阻元件110用以储存数据。致能开关120用以致能对穿隧式磁阻元件110的存取。字元线信号WL用以控制致能开关120。当字元线信号WL的电位为高电平(high)时，穿隧式磁阻元件110能经由位元线BL与源极线SL而被存取。
[0005]穿隧式磁阻元件110包含铁磁性自由层(ferromagnetic free layer) 113、绝缘阻挡层(insulating barrier layer) 112 与铁磁性固定层(ferromagnetic fixed layer) 111。其中，铁磁性固定层111的磁化方向为固定的。而铁磁性自由层113的磁化方向为根据储存在穿隧式磁阻元件110上的数据而平行于或非平行于铁磁性固定层111的磁化方向。
[0006]若储存数据为二进制“I”时，穿隧式磁阻元件110乃处于非平行状态，且穿隧式磁阻元件110的电性表现为一高阻抗电阻。若储存数据为二进制“O”时，穿隧式磁阻元件110则处于平行状态，且穿隧式磁阻元件110的电性表现为一低阻抗电阻。然而，无论穿隧式磁阻元件110的阻抗为高或低，其阻抗皆为流经穿隧式磁阻元件110的电流的函数。
[0007]图2为图1中的穿隧式磁阻元件的典型转移特性的示意图。请参照图2，此转移特性200为穿隧式磁阻元件110的阻抗对穿隧式磁阻元件110的电流的关系曲线。于此，依据电流从位元线BL流至源极线SL的方向定义极性，即电流从位元线BL流至源极线SL定义电流为正，反之，电流从源极线SL流至位元线BL则定义电流为负。
[0008]当穿隧式磁阻元件110位于非平行状态时，穿隧式磁阻元件110的电性表现为高阻抗。反之，当穿隧式磁阻元件110位于平行状态时，穿隧式磁阻元件110的电性表现为低阻抗。
[0009]然而，穿隧式磁阻元件110只有在电流低于第一临界值(1st threshold)时可处于非平行状态(即，高阻抗)，且此第一临界值为正值。当电流为正且高于第一临界值时，即使穿隧式磁阻元件110处于非平行状态，都将被编程(即，被写入)至平行状态，如区域I (REG1N I )所示。
[0010]同样地,穿隧式磁阻元件110只有在电流高于第二临界值(2st threshold)时可处于平行状态(即，低阻抗)，且此第二临界值为负值。当电流为负且低于第二临界值时，即使穿隧式磁阻元件110原先处于平行状态，都将被编程(即，被写入)至非平行状态，如区域III (REG1N III)所示。
[0011]因此，根据此转移特性200，即可找出方法来写入或读取穿隧式磁阻元件110。若欲将二进制“O”的数据写入穿隧式磁阻元件110，需通过提供高于第一临界值的正电流(从位元线BL流向源极线SL)(即，比第一临界值还正的电流)来使穿隧式磁阻元件110的转移特性进入区域I。若欲将二进制“I”的数据写入穿隧式磁阻元件110，则需通过提供低于第二临界值的负电流(从源极线SL流向位元线BL)(即，比第二临界值还负的电流)来使穿隧式磁阻元件110的转移特性进入区域III。若欲读取穿隧式磁阻元件110的储存数据，就必须通过提供介于第二临界值与第一临界值间的电流(即，不大于第一临界值且亦不小于第二临界值的电流)来使穿隧式磁阻元件110的转移特性维持在区域II。
[0012]于此，所提供的电流会在位元线BL与源极线SL之间形成一电位差，且此电位差端视穿隧式磁阻元件110的状态而定。若穿隧式磁阻元件110处于非平行状态，则此电位差较大；反之，则较小。
[0013]将位元线BL与源极线SL之间的电位差与参考电位做比较。若此电位差大于参考电位，则穿隧式磁阻元件110被检测为处于非平行状态，且其储存数据为二进制“I”。若此电位差小于参考电位，则穿隧式磁阻元件I1被检测为处于平行状态,且其储存数据为二进制“O”。然而，要为穿隧式磁阻元件110的读取操作建立一个可靠的参考电位并不容易。因为，穿隧式磁阻元件I1的阻抗无论为高或低皆会随温度而改变，因此位元线BL与源极线SL之间的电位差亦会随温度而改变。
[0014]公知的系统能包含自旋力矩转移-磁阻式磁性随机存取存储器，且此自旋力矩转移-磁阻式磁性随机存取存储器包括写入电路及读取电路。
[0015]在读取电路中，读取操作的参考电位是利用一个NMOS晶体管来建立，而NMOS晶体管的阻抗则是由一电压来控制，以在整个关注的温度范围内拟态为具有低于高阻抗(当穿隧式磁阻元件110处于非平行状态)但高于低阻抗(当穿隧式磁阻元件110处于平行状态)的阻抗的电阻。然而，这样的设计并无法使读取操作在所有关注的温度范围内皆达到最佳效能。
[0016]在写入电路中，贝U可使用一双向性驱动器(b1-direct1nal driver),然而这样的电路相当复杂。
【发明内容】
[0017]在一实施例中，一种穿隧式磁阻的感测装置包含磁性随机存取存储器阵列、参考单元及感测放大器闩锁电路。磁性随机存取存储器阵列包含校正单元与多个数据单元。多个数据单元用以储存使用者数据。参考单元由控制信号控制。感测放大器闩锁电路用以比较于磁性随机存取存储器阵列的多个磁性随机存取存储器单元中的一受选磁性随机存取存储器单元的阻抗与参考单元的阻抗，并依据比较的结果输出逻辑信号。其中，校正单元、多个数据单元与参考单元中的每一者为一磁性随机存取存储器单元，并且控制信号是通过在校正程序中比较校正单元的阻抗与参考单元的阻抗来建立。
[0018]在一实施例中，一种穿隧式磁阻的感测装置包含第一磁性随机存取存储器阵列、第二磁性随机存取存储器阵列与感测放大器闩锁电路。第一磁性随机存取存储器阵列包含第一参考单元、第一校正单元与第一组数据单元。第一参考单元由第一控制信号控制。第二磁性随机存取存储器阵列包含第二参考单元、第二校正单元与第二组数据单元。第二参考单元由第二控制信号控制。感测放大器闩锁电路用以在第一校正程序中检测第一参考单元与第二校正单元之间的差异来产生第一控制信号，以及在第二校正程序中检测第二参考单元与第一校正单元之间的差异来产生第二控制信号。其中，于第一组数据单元中的受选数据单元的读取操作期间，感测放大器闩锁电路感测受选数据单元与第二参考单元之间的差异来检测受选数据单元的状态，以及于第二组数据单元中的受选数据单元的读取操作期间，感测放大器闩锁电路感测受选数据单元与第一参考单元之间的差异来检测受选数据单元的状态。
[0019]在一实施例中，一种穿隧式磁阻的感测方法包含预设磁性随机存取存储器阵列的校正单元于第一状态、预设磁性随机存取存储器阵列的参考单元于第二状态、预设参考单元所接收的控制信号于第一值以致使参考单元的阻抗等于校正单元的阻抗、逐步调整控制信号到第二值以致使参考单元的阻抗等于校正单元预设在第一状态时的阻抗、选择控制信号的校正值，及于读取操作时，以校正值为控制信号的参考单元作为参考检测从磁性随机存取存储器阵列的多个数据单元中的一受选数据单元的状态。其中，控制信号的校正值为第一值与第二值的中间值。
[0020]以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征及优点，其内容足以使任何本领域的技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求及附图，任何本领域的技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
【附图说明】
[0021]请参照下列附图，将可更加了解本发明的一些实施例的许多层面。在附图中的物件不一定按照比例绘制，而是将重点放在清楚地说明本发明的原理。此外，在附图中相同的标号所对应到的部分贯穿所有附图。
[0022]图1为公知磁性随机存取存储器单元的概要示意图。
[0023]图2为图1中的穿隧式磁阻元件的典型转移特性的示意图。
[0024]图3为根据本发明一实施例的穿隧式磁阻的感测装置的概要示意图。
[0025]图4为图3的一实施例的控制信号对逻辑信号的转移关系的示意图。
[0026]图5为图3的感测放大器闩锁电路的一实施例的概要示意图。
[0027]图6A为根据本发明的一实施例的补充式磁性随机存取存储器阵列的概要示意图。
[0028]图6B为图6A的补充式磁性随机存取存储器