写入到自旋矩磁随机存取存储器的方法
【专利说明】
[0001] 本申请要求2011年12月15日提交的专利申请号为No. 61/576, 215的美国临时 申请的优先权。
技术领域
[0002] 此处所描述的示例性实施例笼统地涉及集成磁设备，并且更具体地说，涉及磁阻 存储器的编程方法。
【背景技术】
[0003] 磁电子器件、自旋电子器件，以及自旋子（SPintronic)器件是利用主要由电子自 旋所引起的效果的器件的同义术语。磁电子用于很多信息器件中，以提供非易失性、可靠、 耐辐射以及高密度数据存储和检索。很多磁电子信息器件包括但不仅限于磁阻随机存取存 储器（MRAM)、磁传感器，以及用于磁盘驱动器的读/写头。
[0004] 通常，MRAM包括磁阻存储器元件的阵列。每一个磁阻存储器元件通常都具有这样 的结构：包括由诸如磁隧道结（MTJ)的各种非磁层分开的多个磁层，并表现出依赖于器件 的磁状态的电阻。信息作为磁化矢量的方向存储在磁层中。一个磁层中的磁化矢量是磁固 定的或钉扎的，而另一磁层的磁化方向可以自由地在相同方向和相反方向（分别叫做"平 行"和"反向平行"状态）之间切换。对应于平行和反向平行磁状态，磁存储器元件分别具 有低（逻辑"〇"状态）和高（逻辑"1"状态）电阻状态。相应地，对阻抗的检测允许诸如 MTJ器件之类的磁阻存储器元件提供存储在磁存储器元件中的信息。
[0005] 有两种完全不同的方法用于编程自由层：场切换和自旋矩切换。在场切换的MRAM 中，与MTJ比特相邻的载流线用于生成对自由层起作用的磁场。在自旋矩MRAM中，切换是利 用通过MTJ本身的电流脉冲完成的。由自旋偏振的隧道电流携带的角动量导致自由层的反 转，最终状态（平行或反向平行）是由电流脉冲的极性确定的。复位电流脉冲将导致最终 状态为平行或逻辑"0"。与复位电流脉冲极性相反的置位电流脉冲将导致最终状态为反向 平行或逻辑" 1"。已知自旋矩转移在图案化或以其他方式排列以便电流基本上垂直于界面 流动的MTJ器件、巨磁阻器件中发生，并且当电流基本上垂直于畴壁流动时，在简单的线路 类结构中发生。表现出磁阻的任何这样的结构都具有成为自旋矩磁阻存储器元件的可能。
[0006] 也称为自旋转移扭矩RAM (STT-RAM)的自旋矩MRAM (ST-MRAM)是新兴的存储器技 术，具有无限耐久的非易失性，以及以比场切换MRAM高得多的密度的快速写入速度的潜 力。由于ST-MRAM切换电流要求随着缩小的MTJ尺寸降低，因此，ST-MRAM具有在甚至最 先进的技术节点很好地缩放的潜力。然而，提高MTJ阻抗的可变性并在两个电流方向上通 过比特单元选择器件来维持比较高的切换电流会限制ST-MRAM的可缩放性。写入电流通 常在一个方向比另一方向更高，因此，选择器件必须能够使两个电流中的较大的通过。另 外，ST-MRAM切换电流要求还随着写入电流脉冲持续时间的缩短而提高。由于此，最小的 ST-MRAM比特单元方法可能要求相对长的切换时间。
[0007] 存储在存储器中的数据是按存储体（bank)定义的。级（rank)是第一方向（列） 中的多个存储体，道（channel)是第二方向（行）的多个存储体。用于访问存储器的过程 包括行和列标识和读取或写入操作需要的多个时钟周期。用于数据传输的带宽可以包括一 行成千上万比特。
[0008] 用于编程自旋矩MRAM的常规方案是将单一电流或电压脉冲应用于存储器单元以 反转它们的存储层的方向。脉冲的持续时间是由诸如存储器接口规范之类的设计要求设置 的。一般而言，写入操作必须在小于50ns内完成。写入电压幅值被设置为符合存储器写入 错误率（WER)和使用寿命要求。它必须大于某一值Vw，以确保所有比特都被可靠地编程，而 写入错误率低于定义的值WER tl。对于兆比特存储器，WER(I通常小于10 Λ写入电压幅值还 必须足够低以确保长期的器件完整性。对于磁隧道结，由于电介质击穿，提升的写入电压缩 短了存储器寿命。在某些情况下，不可能找到符合所希望的写入错误率WER tl和所需的寿命 的写入电压。改善写入错误率的已知的解决方案是添加一层或多层错误校正或使用多个写 入脉冲。
[0009] 存储器设备常常在输出逻辑电路中包括某种形式的纠错码（ECC)。如果存储器比 特在写入操作过程中未正确地设置，则可以使用ECC来在随后的访问过程中校正数据。然 而，如果WER太高，则ECC将不能够有效率地处理所有失败的比特。
[0010] 可以通过错误函数很好地描述作为施加的电压的函数的写入错误率或磁比特的 切换分布。这就是为什么设置比特的组合的写入电压的一种常见方法是提高它，直到写入 错误率达到所需值WER〇。由于反向磁化的随机的本质以及存储器元件中的缺陷的存在，常 常观察到与理想错误函数的偏差，导致异常地高的写入错误率，并迫使写入电压提高以符 合 WERtl。
[0011] 已经建议了基于由多个脉冲组成的写入模式的解决方案，以改善在存在带有异常 的切换分布的比特的情况下总体存储器写入错误率。然而，这样的解决方案会显著延长写 入持续时间并负面影响存储器速度性能。
[0012] 相应地，需要提供改善存储器阵列的写入错误率而不会影响其诸如速度和耐久性 之类的性能的方法。此外，通过随后的详细描述和所附权利要求书，以及各个附图和前面的
技术领域和【背景技术】，示例性实施例的其他所需要的特征和特性将变得明显。
【发明内容】
[0013] 提供了用于写入到自旋矩磁阻随机存取存储器的方法和设备。
[0014] 第一示例性实施例是一种确定用于写入到自旋矩磁阻存储器阵列中的多个比特 的写入模式的方法，该方法包括根据阵列的设计要求，确定写入电压；确定对于预定写入时 间以及最小化对于所述数量的比特的写入错误率需要的写入脉冲的数量，其中，写入脉冲 的所述数量是至少一个；以及，将所确定的数量的写入脉冲应用到所述阵列。
[0015] 第二示例性实施例是一种确定用于写入到自旋矩磁阻存储器阵列中的多个比特 的写入模式的方法，该方法包括：a)将写入电压Vw设置为最小电压Vmin ;b)将写入脉冲的 数量i设置为1，并将写入脉冲持续时间t设置为最大持续时间Tmax ;c)将写入模式定义 为具有幅值Vw的持续时间t的单脉冲；d)表征所述写入模式的写入错误率（WER) ;e)如果 WER小于所希望的写入错误率WERtl，则将写入脉冲设置定义为Vw、i、t和d ;如果WER不小 于WERtl, f)将i设置为i+1 ;g)将所述脉冲持续时间t设置为（Tmax-(i-l)d)/i ;以及，h) 将所述写入模式定义为具有幅值Vw的被距离d分隔的持续时间t的i个脉冲；i)如果t不 小于最小持续时间Tmin，则返回到步骤d ;以及，j)如果t小于Tmin，则如果Vw不大于或等 于最大电压Vmax则增大Vw，并且返回到步骤b。
[0016] 第三示例性实施例是一种确定用于写入到自旋矩磁阻存储器阵列中的写入模式 的系统，该系统包括：处理器，该处理器被配置成根据阵列的设计要求确定写入电压；确定 对于预定写入时间以及最小化对于所述数量的比特的所述WER需要的写入脉冲的数量，其 中，写入脉冲的所述数量是至少一个；以及，将所确定的数量的写入脉冲应用到所述阵列； 以及，被配置成接收所确定的数量的写入脉冲的阵列中的多个比特。
【附图说明】
[0017] 下面将参考附图描述本发明的优选实施例，其中，相同的附图标记表示相同的元 素，以及：
[0018] 图1是可以被用来应用根据示例性实施例的方法的包括处理器和非易