专利名称：磁存储器的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及非易失性存储器器件，更具体而言，涉及使用磁存储器单元的存储器器件。
背景技术：
本领域公知的一种类型的非易失性存储器是磁存储器单元。已知为磁随机存取存储器(MRAM)器件的这些器件包括磁存储器单元阵列。存储器单元可以是不同类型的。例如，磁隧道结(MTJ)存储器单元或巨磁阻(GMR)存储器单元。
通常，磁存储器单元包括一层磁化取向可以改变的磁膜和一层磁化取向在特定方向可以是固定或“钉扎”的磁膜。具有磁化可变的磁膜被称为感应层(sense layer)或数据存储层，固定的磁膜被称为参考层或钉扎层。在感应层和参考层之间是阻挡层。
称为字线和位线的导电轨迹穿过存储器单元阵列。字线沿存储器单元的行延伸，位线沿存储器单元的列延伸。存储器单元在字线和位线的每一个交点处存储作为在感应层中的磁化取向的位信息。感应层中的磁化取向沿称为易磁化轴的轴对准。施加磁场以便使感应层中的磁化取向沿其易磁化轴翻转成相对于参考层中的磁化取向是平行取向或者反平行取向。
称为写入线的导电轨迹穿过存储器单元阵列以便帮助翻转感应层中的磁化取向。沿存储器单元的列延伸的写入线靠近感应层并且平行于位线。沿存储器单元的行延伸的字线靠近参考层。存储器单元位于写入线和字线的每一个交点处。写入线和字线电耦合到写电路。
在写操作期间，写电路选择一条字线和一条写入线来改变位于导体交叉点处的存储器单元的感应层中的磁化取向。写电路给选择的字线和写入线提供写电流以便在选择的存储器单元中产生磁场。这些磁场组合以便将选择的存储器单元中的磁化取向从平行转变到反平行，反之亦然。
穿过存储器单元的电阻根据感应层中相对于参考层的平行或反平行的磁化取向而不同。电阻在反平行取向上是最高，逻辑状态为1，在平行取向上是最低，逻辑状态为0。穿过存储器单元的电阻用于区别存储器单元的平行和反平行状态。
字线和位线帮助检测穿过存储器单元的电阻以便区别存储器单元的状态。字线电耦合到参考层。位线电耦合到感应层。字线和位线也电耦合到读电路。
在读操作期间，读电路选择一条字线和一条位线以便确定位于导体交叉点处的存储器单元的电阻。读电路给选择的存储器单元提供电压以便产生穿过存储器单元的检测电流。读电路使用检测电流以确定穿过存储器单元的电阻并且区别存储器单元的平行和反平行状态。穿过存储器单元的电阻从一个单元到另一个单元和从一个器件到另一个器件有很大的不同。
穿过存储器单元的电阻取决于阻挡层的厚度和存储器单元的面积。阻挡层是在感应层和参考层之间的非常薄的绝缘层。该绝缘层可以是氧化铝，具有几个埃的厚度。穿过存储器单元的电阻随阻挡层的厚度而呈指数变化。仅2％的阻挡层厚度的变化可以使得穿过存储器单元的电阻变化2倍。同样，穿过存储器单元的电阻取决于存储器单元的面积，其由于光刻限制而从一个单元到另一个单元是不同的。即便严格控制，存储器单元的电阻从一个单元到另一个单元和从一个存储器器件到另一个存储器器件而显著不同。基于上述原因，绝对电阻值并不是总能准确地区别出存储器单元的平行和反平行状态。
发明内容
磁存储器的一个实施例包括被配置成提供第一状态的存储器单元，和读出电路。该读出电路被配置成通过第一状态中的存储器单元对电容器充电和通过第一状态中的存储器单元对电容器放电以便确定存储器单元的状态。
本发明的实施例通过参考附图来被更好的理解。附图中的元件彼此之间没有必要按比例示出。相同的参考标号表示相同的部分。
图1是根据本发明的磁存储器的一个实例性实施例的方块图。
图2是包括磁存储器单元的阵列部分的实例性实施例的简图。
图3是磁存储器单元和阵列部分的实例性实施例的剖面图。
图4是穿过存储器单元的电阻与施加到该存储器单元的电压的曲线图。
图5是与存储器单元电通信的读电路的实例性实施例的简图。
图6是在实例的读操作期间的电容器电压与时间的曲线图。
图7是根据本发明的磁存储器的另一个实例性实施例的简图。
图8是用于存储器单元的平行和反平行状态的三次谐波分量与一次谐波分量比率的曲线图。
具体实施例方式
图1是根据本发明的磁存储器20的一个实例性实施例的方块图。磁存储器20包括电耦合到读电路24和写电路(为了简洁起见未示出)的磁存储器单元阵列22。阵列22包括以行和列布置的磁存储器单元26。每一个磁存储器单元26存储作为磁存储器单元26的状态的位信息。磁存储器单元26的状态是平行状态或反平行状态，称为第一状态或第二状态，反之亦然。读电路24包括行译码器28、列译码器30和读出电路32。行译码器28和列译码器30电耦合到在存储器单元26处相交的行和列读导体。行译码器28和列译码器30同样电耦合到读出电路32。
在本实施例中，读出电路32检测穿过存储器单元26的电阻，并且区别存储器单元26的平行状态和反平行状态。穿过存储器单元26的电阻根据感应层中相对于参考层的平行或反平行的磁化取向而不同。电阻在反平行状态中最高，逻辑状态为1，在平行状态中最低，逻辑状态为0。在穿过存储器单元26的电阻的另一个方面，电阻随施加到存储器单元26的不同电压而不同或变化。在平行状态，穿过存储器单元26的电阻几乎不随施加到存储器单元26的电压不同而变化。在反平行状态，穿过存储器单元26的电阻随施加到存储器单元26的不同电压而发生很大变化。在更大或更高的电压下，穿过在平行状态和反平行状态中的存储器单元26的电阻具有接近相同的电阻值。施加到存储器单元26而使得这些电阻特征变得显著的电压在一个存储器单元26的实施例到另一个实施例是不同的。在存储器单元26的一个实例性实施例中，已知可以良好工作的电压值是较大或较高的1伏电压至较小或较低的0.5伏电压。在存储器单元26两端为1伏电压和存储器单元26两端为0.5伏电压情况下，穿过在平行状态中的存储器单元26的电阻基本是相同的。与存储器单元26两端为0.5伏电压相比，存储器单元26两端为1伏电压时，穿过在反平行状态中的存储器单元26的电阻更小。读出电路32使用这些电阻特征以区别存储器单元26的平行状态和反平行状态。
磁存储器20包括具有磁存储器单元26的磁存储器阵列22。存储器单元26以行和列布置，具有沿X方向延伸的行和沿Y方向延伸的列。仅仅示出了相对少量的存储器单元26以便简化对磁存储器20说明。实际上，可以使用任何尺寸的阵列。
起到字线34a-34c和位线36a-36c作用的导电轨迹穿过阵列22延伸。字线34a-34c在阵列22的一侧上的平面内沿X方向延伸，位线36a-36c在阵列22的相对侧上的平面内沿Y方向延伸。阵列22的每一行存在一条字线34a-34c，阵列22的每一列存在一条位线36a-36c。存储器单元26位于字线34a-34c和位线36a-36c的每一个交叉点处。
读电路24电耦合至字线34a-34c和位线36a-36c以便检测存储器单元26的状态。读电路24包括电耦合至字线34a-34c的行译码器28和电耦合至位线36a-36c的列译码器30。行译码器28通过行检测导体38电耦合至读出电路32。列译码器30通过列检测导体40电耦合至读出电路32。
在读操作期间，行译码器28选择字线34a-34c并且将它电耦合至行检测导体38和读出电路32。列译码器30选择位线36a-36c并且将它电耦合至列检测导体40和读出电路32。选择的字线34a-34c和位线36a-36c在选择的存储器单元26处相交。读出电路32检测选择的存储器单元26的电阻特征以便确定该选择的存储器单元26的状态。
在一个实例性实施例中，读出电路32是积分器。读出电路32积分在积分器电容器上的充电电流和放电电流以便得到最后的电压。该最后的电压用于确定存储器单元26的状态。在该实例性实施例中，读出电路32给存储器单元26提供第一电压以便给电容器充电持续第一时间段，给存储器单元26提供第二电压以便使该电容器放电持续第二时间段。读出电路32对穿过存储器单元26的电容器充电至大致相同的峰值电压，跟状态无关。选择第二电压足够小以便使在反平行状态中的电阻提高一个可检测的量，而在平行状态中的电阻不改变或者几乎不改变。读出电路32对穿过存储器单元26的电容器放电至不同的电压，这取决于存储器单元26是平行状态或是反平行状态。最后不同的电压用于确定存储器单元26的状态。
在实例性实施例中，第一电压是较大或较高电压，第二电压是较小或较低电压。在可选的实施例中，用于对电容器充电的第一电压可以是较小电压，用于对电容器放电的第二电压可以是较大电压。在另一个可选的实施例中，读出电路32首先对电容器放电，其次对电容器充电以便得到最后不同的电压。在该可选的实施例中，第一和第二电压可以分别是较大和较小电压，反之亦然。
在另一个实施例中，读出电路把输入信号施加到存储器单元26，该输入信号是波动信号或交变信号。存储器单元26将输入信号变形为最后的输出信号。该输出信号跟输入信号比较以便确定输出信号的失真和存储器单元26的状态。读出电路包括给存储器单元26提供正弦电压的波形发生器。在平行状态中，穿过存储器单元26的电阻随施加到存储器单元26的电压不同而变化很小，并且存储器单元26使得输入波形几乎不失真。在反平行状态中，穿过存储器单元26的电阻随施加到存储器单元26的电压不同而变化很大，并且存储器单元26使输入波形失真很大。比较输入波形和输出波形，来自存储器单元26的输出波形乘以输入波形的一次谐波频率和三次谐波频率，并且被滤波以得到输出的一次谐波分量和三次谐波分量。在存储器单元26的平行状态中的三次谐波分量跟一次谐波分量的比率远小于在反平行状态中的比率。这些比率中的差异用于确定存储器单元26的状态。这些实施例以及更多实施例将在说明书的后面部分做更加详细的描述。
磁存储器20还包括写导体(为了简洁起见未示出)，其在阵列22的一侧上的平面内沿Y方向延伸。写导体电耦合至写电路以便改变存储器单元26中的磁化取向。在阵列22的相对侧上沿X方向延伸的字线34a-34c电耦合至写电路。磁存储器单元26位于写导体和字线34a-34c的每一个交叉点处。
在写操作期间，写电路选择一个写导体和一条字线34a-34c以便改变位于该交叉点处的存储器单元26的感应层中的磁化取向。写电路给选择的写导体提供第一写电流和给选择的字线34a-34c提供第二写电流。根据写手法则(write hand rule)，这些写电流在写导体和字线34a-34c的周围产生磁场，以便改变选定的存储器单元26的感应层中的磁化取向。
图2是包括磁存储器单元26的阵列部分42的实例性实施例的简图。阵列22中的每个存储器单元26被配置成与阵列部分42中的磁存储器单元26类似。存储器单元26包括字线34a，位线36b和存储器单元堆(memory cell stack)44。存储器单元堆44位于字线34a和位线36b之间。尽管字线34a被示为跟位线36b基本垂直，但是字线34a能够相对于位线36b成其它角度。
图3是阵列部分42和存储器单元26的实例性实施例的剖面部分的简图。存储器单元26包括位于字线34s和位线36b之间的存储器单元堆44。在该实施例中，存储器单元堆44包括感应层46、阻挡层48和参考层50。阻挡层48位于感应层46和参考层50之间。穿过存储器单元26的电阻(即该存储器单元的状态)通过位线36b、感应层46、阻挡层48、参考层50和字线34a来检测。
图4是穿过存储器单元26的电阻与提供给存储器单元26的电压的曲线图。在存储器单元26的实例性实施例中，在52处表示的穿过在平行状态中的存储器单元26的电阻在从0到1伏的电压范围内是基本上相同的。对照的是，在54处表示的穿过在反平行状态中的存储器单元26的电阻从在1伏电压的低值变化到在0伏电压的较大值。如在56处所表示的，在给存储器单元26施加大约1伏电压时，穿过在平行状态中的存储器单元26的电阻与穿过在反平行状态中的存储器单元26的电阻基本是相同的。
穿过存储器单元26的电阻从一个单元到另一个单元和从一个存储器器件到另一个存储器器件变化达到一百万欧姆或更多。然而，当穿过存储器单元26的绝对电阻变化时，图4所示的电阻特征不变化。对于该电特性，本发明的实施例正确检测存储器单元26的状态，跟穿过存储器单元26的绝对电阻无关。
图5是跟阵列部分42的存储器单元26进行电通信的读电路24的实例性实施例的简图。读电路24包括读出电路32、行译码器28和列译码器30。读出电路32通过行检测导体38电耦合至行译码器28，读出电路32通过列检测导体40电耦合至列译码器30。
存储器单元26包括位于字线34a和位线36b之间的存储器单元堆44。存储器单元堆44包括位于感应层46和参考层50之间的阻挡层48。行译码器28通过字线34a电耦合至存储器单元26，列译码器30通过位线36b电耦合至存储器单元26。
读出电路32包括电压源60、积分器电容器62、晶体管64、比较器66和参考电压源68。电压源60包括第一端子70和第二端子72。比较器66包括正输入端子74和负输入端子76。参考电压源68包括正端子78和负端子80。电容器62具有第一电容器触点82和第二电容器触点84，晶体管开关64具有第一触点86和第二触点88。
电压源60电耦合至列译码器30、行译码器28、电容器62、晶体管开关64和比较器66。电压源60通过列检测导体40和第一端子70电耦合至列译码器30。电压源60通过行检测导体38和第二端子72电耦合至行译码器28、电容器62、晶体管开关64和比较器66。电容器62在第一电容器触点82处电耦合至行检测导体38并且在第二电容器触点84处电耦合至参考电势(例如，接地)。晶体管开关64在第一触点86处电耦合至行检测导体38，比较器66在正输入端子74处电耦合至行检测导体38。
参考电压源68通过参考源导体90和正端子78电耦合至晶体管开关64和比较器66。晶体管开关64在第二触点88处耦合至参考源导体90，比较器66在负输入端子76处耦合至参考源导体90。参考电压源68通过参考电势线92和负端子80电耦合至参考电势(例如，地)。
在运行中，电压源60通过列译码器30和行译码器28对存储器单元26施加电压。如果第一端子70相对于第二端子72为正的，电压源60提供充电电流61，该充电电流61从第一端子70流出，经过列译码器30、存储器单元26和行译码器28，流进电容器62。充电电流61通过存储器单元26对电容器62充电。如果第一端子70小于第二端子72，电容器62提供放电电流63，该放电电流63通过行译码器28、存储器单元26和列译码器30在第一端子70处流入电压源60。放电电流63通过存储器单元26对电容器62放电。
比较器66将电容器62上的电压跟来自参考电压源68的参考电压进行比较。如果电容器62上的电压大于参考电压，比较器输出94为高。如果电容器62上的电压小于参考电压，比较器输出94为低。比较器输出94以适当时间被锁存在存储元件内，以存储存储器单元26的状态。晶体管开关64闭合以便使电容器62复位至参考电压源68的参考电压。晶体管开关64断开以便读存储器单元26。
在读操作期间，读电路24从阵列22中选择存储器单元26。如图5所示，行译码器28选择一条字线34a并且列译码器30选择一条位线36b以便选择阵列部分42的存储器单元26，在对存储器单元26施加任何电压之前，对电容器62充电至开始电压。在本实施例中，开始电压是由参考电压源68提供的参考电压。在选择存储器单元26之前或之后闭合晶体管开关64对电容器62充电至开始电压。在将电容器62充电至参考电压之后断开晶体管开关64。
接着，电压源60给存储器单元26提供第一电压达第一时间段之久，通过存储器单元26对电容器62充电。存储器单元26两端的第一电压在整个第一时间段中保持恒定。为进一步进行解释，第一端子70被保持在比第二端子72更高的电压。在端子70和72上的电压差是第一电压。存储器单元26两端的第一电压产生充电电流61，其对电容器62充电。当电容器62上电压升高时，在第一端子70处的电压相应地升高以便保持存储器单元26两端的第一电压恒定。这通过存储器单元26提供恒定的充电电流61。充电电流61对应穿过存储器单元26的电阻。
在实例性实施例中，读电路24初始对电容器62充电，然后把电容器62放电至作为结果的电压。在另一个实施例中，读操作首先或初始对电容器62放电，然后将电容器62充电至作为结果的电压。同样，在实例性实施例中，选择第一电压为较大电压，选择第二电压为较小电压。在另一个实施例中，第一电压可以是较小电压，第二电压可以是较大电压。
相对于穿过在反平行状态中的存储器单元26的电阻，其两端有较小的电压，选择较大的电压使得穿过在反平行状态中的存储器单元26的电阻更小。在平行状态中，穿过存储器单元26的电阻随存储器单元26两端的电压几乎无变化。选择较大电压以便使得穿过在平行和反平行状态中的存储器单元26的电阻基本相同。然而，这并不是需要的。和反平行状态中的存储器单元26施加较小电压时穿过存储器单元26的电阻相比，选择较大电压使得穿过在反平行状态中的存储器单元26的电阻更小。
在实例性实施例中，第一电压使得穿过在平行状态和反平行状态中的存储器单元26的电阻基本相等。在存储器单元26的实例性实施例中，1伏的第一电压可以工作良好。在将第一电压保持在1伏的情况时，对于在平行和反平行状态中的存储器单元26，充电电流61是相同的。在第一时间段期间，充电电流61对电容器62充电至相等的峰值电压，而与存储器单元26的状态无关。本领域的技术人员都会明白，可以选择用于第一电压的其它合适的电压。
接着，电压源60给存储器单元26提供第二电压达第二时间段之久，以便对电容器62放电。在整个第二时间段期间存储器单元26两端的第二电压保持恒定。进一步进行解释，跟在第二端子72相比，在第一端子70保持较低电压。在端子70和72上的电压差是第二电压。施加到存储器单元26的第二电压产生放电电流63，其对电容器62放电。当电容器62上的电压下降时，在第一端子70处的电压相应地下降，以便保持存储器单元26两端的第二电压恒定。这提供了穿过存储器单元26的恒定放电电流63。放电电流63对应于穿过存储器单元26的电阻。
在本实施例中，第二电压是较小电压。和反平行状态中的存储器单元26施加较大电压时穿过存储器单元26的电阻相比，该较小电压使穿过在反平行状态中的存储器单元26的电阻更大。第二电压使得穿过在平行状态中的存储器单元26的电阻小于穿过在反平行状态中的存储器单元26的电阻。跟在给存储器单元26施加第一电压的情况中的穿过存储器单元26的电阻相比，在给存储器单元26施加第二电压的情况中，穿过在反平行状态中的存储器单元26的电阻升高了大约15％。穿过在平行状态中的存储器单元26的电阻不随电压从第一电压到第二电压的变化而变化。
在第二电压保持恒定的情况中，放电电流63根据存储器单元26的状态而变化。放电电流63在存储器单元26处于平行状态时较大，在存储器单元26处于反平行状态时较小。放电电流63在第二时间段期间，在存储器单元26处于第一状态时使电容器62放电至第一放电电压，在存储器单元26处于第二状态时使电容器62放电至第二放电电压。其中第一状态和第二状态分别处于存储器单元26的平行状态和反平行状态，或者，可选择的，分别处于存储器单元26的反平行状态和平行状态。存储器单元26处于反平行状态时的电容器62上的作为结果的电压(后面称为反平行状态放电电压)大于在存储器单元26处于平行状态时的电容器62上的作为结果的电压(后面称为平行状态放电电压)。选择反平行状态放电电压和平行状态放电电压之间的阈值电压以便区别存储器单元26的反平行状态和平行状态。
在本实例性实施例中，将阈值电压选择为来自参考电压源68的参考电压，同时选择为平行状态放电电压和反平行状态放电电压之间的中间电压以便可靠地区别出状态。将第一电压、第一时间段、第二电压和第二时间段的值选择为将参考电压设置在平行状态放电电压和反平行状态放电电压之间的中间电压。
因为读操作的开始时的电容器62上的电压被设置为参考电压，例如放电电压等于参考电压，在电容器62上增加的电荷等于从电容器62移走的电荷。
电荷等式是VHR·TH=VLR(1+Δ)·TL]]>其中简化为VHVL=TLTH·1(1+Δ)]]>其中VH等于第一电压(或者高电压)VL等于第二电压(或者低电压)TH等于第一时间段TL等于第二时间段R等于施加VH时的穿过存储器单元26的电阻，和Δ等于跟第一电压相比较施加第二电压时穿过存储器单元26的电阻变化。
例如，放电电压是平行状态放电电压和反平行状态放电电压之间的中间值，跟第一电压相比较施加第二电压时穿过存储器单元26的电阻变化是平行状态的电阻变化和反平行状态的电阻变化之间的中间值。跟对存储器单元26施加第一电压时穿过存储器单元26的电阻相比较，在第二电压处，穿过在反平行状态中的存储器单元26的电阻升高大约15％。穿过在平行状态中的存储器单元26的电阻不随从第一电压到第二电压的电压变化而变化。因为放电电压是平行状态放电电压和反平行状态放电电压之间的中间值，电阻变化必须是在15％和0％之间的中间值，即7.5％。
为求解第二等式，设置第一电压VH等于1伏，设置Δ等于7.5％或0.075。选择第二时间段TL等于第一时间段TH的两倍长，这样产生0.538伏的第二电压VL。使用Δ＝0.075来求解电荷等式，得出阈值、参考电压，该参考电压是在平行状态放电电压和反平行状态放电电压之间的中间值。
从简化等式中取消了穿过存储器单元26的绝对电阻R，读出电路32利用电阻的变化而不是绝对电阻R以便确定存储器单元26的状态。同样，电容器62的值的变化设置了电压增益。较小电容器62给出了较大增益，但是限制了动态范围。在第一电压和第二电压之间多次的循环获得了改进的增益，其中工作循环与第一和第二时间段一致。为了在相同存储器单元26或不同存储器单元26上重复读操作，闭合和断开晶体管开关64并且重复该过程。
图6是在例如读操作期间的电容器62上的电压与时间的曲线图。如在94处所示，电容器62上的电压在1.5伏的参考电压处开始。通过把来自参考电压源68的参考电压施加到电容器62上的第一触点82，闭合晶体管开关64来设置该电压。在电容器62上的电压达到1.5伏之后，在读操作的余下部分断开晶体管开关64。
接着，电压源60给存储器单元26提供第一电压以便通过存储器单元26对电容器62充电。在该例子中，第一电压是1伏。如在96所示，电容器62上的电压倾斜向上，到达峰值电压98。如在100所示，在第一时间段TH的末端获得峰值电压98。电容器62上的峰值电压98不取决于存储器单元26的平行或反平行状态。穿过存储器单元26的电阻是相同的，与对本实施例的存储器单元26施加1伏的状态无关。电容器62充电至一个峰值电压98。
接着，电压源60在第一端子70和第二端子72上翻转极性以便把第二电压施加到存储器单元26并且对电容器62放电。施加0.538伏的第二电压达第二时间段TL之久。在该例子中，第二时间段TL是第一时间段TH的两倍。在0.538伏处，穿过在反平行状态中的存储器单元26的电阻比在1伏处的穿过存储器单元26的电阻高出约15％。如在106处所示，如果存储器单元26处于反平行状态中，电容器62上的电压倾斜下降；如在104处所示，如果存储器单元26处于平行状态，电容器62上的电压倾斜下降。如在108处所示，电容器62上的电压放电至平行状态放电电压，如在110处所示，放电至反平行状态放电电压。反平行状态放电电压110大于平行状态放电电压108。
阈值电压112等于1.5伏的参考电压。比较器66使用1.5伏的参考电压以便区别平行状态放电电压108和反平行状态放电电压110。比较器输出94在存储器单元26处于反平行状态时为高，在存储器单元26处于平行状态时为低。在第二时间段TL的末端处采样比较器输出电压94，如在102处所示，记录存储器单元26的状态。在该方式中，对于该读出电路32，存储器单元26的状态是非破坏性读取。
在其它实施例中，不选择较大电压以便使得穿过在平行状态和反平行状态中的存储器单元26的电阻基本相同。在这些实施例中，在存储器单元26处于不同状态情况下电容器62被充电至不同的峰值电压。第二电压使电容器62放电至不同的作为结果的电压，并且选择合适的参考电压以便区别平行状态和反平行状态。
在另一个实施例中，第一电压是较小电压，第一时间段是用于对电容器62充电的较长时间段。在这些实施例中，第二电压是较大电压，第二时间段是用于对电容器62放电的较短时间段。在其它实施例中，首先用较大电压在较短时间段给电容器62放电，然后用较小电压在较长时间段给电容器62充电。可替换的，首先用较小电压对电容器62放电较长时间段，然后用较大电压对电容器62充电较短时间段。
读出电路32不使用存储器单元26的绝对电阻R来确定它的状态。相反，读出电路32使用存储器单元26的电阻/电压特征的变化来确定它的状态。同样，读出电路32不使用多次读和写来确定存储器单元26的状态。相反，读出电路32进行存储器单元26的一次非破坏性读取，节省时间和功率，其中如果需要的话在重试中可以第二次检测存储器单元26的状态。读出电路32通过不使用参考单元或互补存储器单元检测存储器单元26的状态来节省在磁存储器20上的空间。
图7是根据本发明的磁存储器单元120的另一个实例性实施例的简图。磁存储器120包括读电路124，写电路(未示出)和磁存储器单元阵列22(未示出)。读电路124包括行译码器28、列译码器30和在132处示出的另一个实例性实施例的读出电路。读出电路132通过行检测导体138电耦合至行译码器28，通过列检测导体140电耦合至列译码器30。磁存储器120和在本说明书的前面详细说明的磁存储器20在其它所有方面是一致的。仅读出电路32、行检测导体38和列检测导体40被读出电路132、行检测导体138和列检测导体140替换。
阵列22包括以行和列布置的磁存储器单元26，并且具有平行状态和反平行状态中的电阻与电压特性，如在本说明书的前面详细说明的。如图7所示，存储器单元26包括位于字线34a和位线36b之间的存储器单元堆44。存储器单元堆44包括位于感应层46和参考层50之间的阻挡层48。
读电路124包括行译码器28、列译码器30和读出电路132。读出电路132通过行检测导体138电耦合至行译码器28，通过列检测导体140电耦合至列译码器30。如前所述，行译码器28和列译码器30通过字线34a-34c和位线36a-36c电耦合至阵列22。如图7所示，行译码器28选择了字线34a，列译码器30选择了位线36b以选择存储器单元26。行译码器28通过字线34a电耦合至存储器单元26，列译码器30通过位线36b电耦合至存储器单元26。
读出电路132包括波形发生器142、一次谐波频率乘法器144、一次谐波滤波器146、三次谐波频率乘法器148和三次谐波滤波器150。波形发生器142通过列检测导体140电耦合至列译码器30。一次谐波频率乘法器144通过行检测导体138电耦合至行译码器28和三次谐波频率乘法器148。一次谐波滤波器146通过一次谐波导体152电耦合至一次谐波频率乘法器144。三次谐波滤波器150通过三次谐波导体154电耦合至三次谐波频率乘法器148。
波形发生器142通过列译码器30把交变信号施加到存储器单元26。施加到存储器单元26的交变信号产生存储器单元26的交变输出。该交变输出与穿过第一状态或者第二状态中的存储器单元26的电阻相对应。第一状态和第二状态分别是存储器单元26的平行状态和反平行状态，或者可替换的，分别是存储器单元26的反平行状态和平行状态。把交变信号施加到第一状态中的存储器单元26，产生存储器单元26的第一输出，把交变电流施加第二状态中的存储器单元26，产生存储器单元26的第二输出。由于第一和第二状态中的存储器单元26的不同的电阻/电压特性，第一和第二输出包括由波形发生器142提供的交变信号的不同谐波分量，即失真。在本实施例中，交变信号是交变电压，更具体而言，是正弦电压。在其它实施例中，波形发生器142能够施加其它信号，例如方波或三角波或者交变电流。
一次谐波频率乘法器144通过行译码器28从存储器单元26接收交变输出，其是电流形式的正弦输出。一次谐波频率乘法器144使正弦输出乘以由波形发生器142提供的正弦电压的一次谐波频率。三次谐波频率乘法器148通过存储器单元26和行译码器28还接收正弦输出，并且使正弦输出乘以由波形发生器142提供的正弦电压的三次谐波频率。一次谐波频率乘法器144给第一谐波滤波器146提供一次谐波信号，其滤波接收的信号以便从一次谐波信号中产生一次谐波分量156。三次谐波滤波器150从三次谐波频率乘法器148接收三次谐波信号，并且滤波该信号以便得到三次谐波分量158。
在操作中，波形发生器142给存储器单元26提供正弦电压。通过存储器单元26的电流是由一次谐波频率乘法器144和三次谐波频率乘法器148接收的正弦输出。该正弦输出跟穿过第一状态或者第二状态中的存储器单元26的电阻相对应。第一状态和第二状态分别是存储器单元26的平行状态和反平行状态，或者可替换的，分别是存储器单元26的反平行状态和平行状态。如果存储器单元26处于平行状态，通过存储器单元26接收的电流包括非常小的谐波失真。该电流跟由波形发生器142提供的正弦电压成正比。然而，如果存储器单元26处于反平行状态，通过存储器单元26接收的电流包括更多的谐波失真，该正弦输出不与由波形发生器142提供的正弦电压成正比。这归因于存储器单元26的电阻与电压特性。在平行状态中，穿过存储器单元26的电阻几乎不随存储器单元26两端的电压变化而变化。在反平行状态中，穿过存储器单元26的电阻随存储器单元26两端的电压变化而变化很多，达到15％。
通过存储器单元26接收的正弦输出经过行译码器28传输到一次谐波频率乘法器144和三次谐波频率乘法器148。一次谐波频率乘法器144使接收的正弦输出乘以具有和波形发生器142提供的正弦电压相同频率的正弦波形。通过一次谐波滤波器146来滤波一次谐波频率乘法器144的一次谐波信号，得到一次谐波分量156。三次谐波频率乘法器148使接收的正弦输出乘以其频率是三倍于由波形发生器142提供的正弦电压频率的正弦波形。通过三次谐波滤波器150来滤波三次谐波频率乘法器148的三次谐波信号，得到三次谐波分量158。
通过平行状态中的存储器单元26接收的正弦输出具有不同于通过反平行状态中的存储器单元26接收的正弦输出的谐波分量。如果存储器单元26处于平行状态，一次谐波分量156非常大，三次谐波分量158基本上不存在。如果存储器单元26处于反平行状态，一次谐波分量156较小，三次谐波分量158更大。可以使用三次谐波分量158与一次谐波分量156的比率来区别存储器单元26的平行和反平行状态。
图8是对于存储器单元26的平行和反平行状态，三次谐波分量158与一次谐波分量156的比率的曲线图。正如在160处所示的，如果存储器单元26处于平行状态，三次谐波分量158与一次谐波分量156的比率基本是0。其表示在平行状态中的存储器单元26没有使得由波形发生器138提供给存储器单元26的正弦电压失真。如在162处所示，如果存储器单元26处于反平行状态，三次谐波分量158与一次谐波分量156的比率是大约0.05或5％。可以使用0.025的阈值来区别存储器单元26的平行和反平行状态。
在本实施例中，使用三次谐波来区别存储器单元26的状态。然而，在其它实施例中，可以使用其它谐波或甚至是各个谐波之和来区别存储器单元26的状态。
权利要求
1.一种磁存储器(20)，包括存储器单元(26)，被配置成提供第一状态和第二状态；和读出电路(32)，被配置成通过在第一状态中的存储器单元(26)对电容器(62)充电和通过在第一状态中的存储器单元(26)对电容器(62)放电，以确定存储器单元(26)的状态。
2.根据权利要求1的磁存储器(20)，其中读出电路(32)给存储器单元(26)提供第一电压并持续第一时间段，以便对电容器(62)充电，给存储器单元(26)提供第二电压并持续第二时间段，以便对电容器(62)放电。
3.根据权利要求1的磁存储器(20)，其中在读出电路(32)对电容器(62)充电之前，读出电路(32)把电容器(62)放电至作为结果的电压，在对电容器(62)放电和充电之前，电容器(62)被设置到参考电压值，其中该参考电压值被与该作为结果的电压比较以便确定存储器单元(26)的状态。
4.一种磁存储器(120)，包括存储器单元(26)；和读出电路(132)，被配置成给存储器单元(26)提供交变信号以便确定存储器单元(26)的状态。
5.根据权利要求4的磁存储器(120)，其中提供给存储器单元(26)的交变信号产生交变输出，该交变输出乘以交变信号的谐波频率并且被滤波以便获得交变输出的谐波分量，其中使用该谐波分量的比率来确定存储器单元(26)的状态。
6.根据权利要求4的磁存储器(120)，其中存储器单元(26)被配置成提供第一状态和第二状态，读出电路(132)给在第一状态中的存储器单元(26)提供交变信号以便产生第一输出，读出电路(132)给在第二状态中的存储器单元(26)提供交变信号以便产生第二输出，其中第一输出和第二输出具有不同的谐波分量。
7.一种读取磁存储器(20)的方法，包括在积分器(24)上积分充电电流；在积分器(24)上积分放电电流；和在积分器(24)上获得作为结果的电压。
8.根据权利要求7的方法，包括把积分器(24)上的开始电压设置到参考电压值，比较作为结果的电压和参考电压值，其中积分充电电流包括给存储器单元(26)提供第一电压以便获得充电电流，和给电容器(62)提供充电电流，积分放电电流包括给存储器单元(26)提供第二电压以便获得放电电流，和用放电电流对电容器(62)放电。
9.一种读取磁存储器(120)的方法，包括把输入信号施加到存储器单元(26)以便获得输出信号；比较输出信号和输入信号以便检测该输出信号中的失真电平；和根据失真电平提供存储器单元(26)的状态。
10.根据权利要求9的方法，其中施加输入信号包括通过存储器单元(26)施加交变信号，存储器单元(26)使该交变信号失真并且产生输出信号，比较输出信号和输入信号包括比较输出信号中的频率分量和输入信号中的频率分量，和提供存储器单元(26)的状态包括获得输出信号中的频率分量的比率并且将该比率和参考值进行比较。
全文摘要
磁存储器(20)的一个实施例包括存储器单元(26)，被配置成提供第一状态和第二状态；和读出电路(32)。该读出电路(32)被配置成通过在第一状态中的存储器单元(26)对电容器(62)充电和通过在第一状态中的存储器单元(26)对电容器(62)放电，以便确定存储器单元(26)的状态。
文档编号G11C11/02GK1574069SQ20041003688
公开日2005年2月2日 申请日期2004年4月16日 优先权日2003年6月18日
发明者R·L·希尔顿 申请人:惠普开发有限公司