使用可能性写入对MRAM单元进行编程 本申请要求于2009年2月23日提交的、标题为“Programming MRAMCells Using Probability Write”的美国临时专利申请序列第61/154,660号的优先权，其申请结合与此作为参考。
【技术领域】
本发明总的来说涉及存储器件，更具体地，涉及磁阻随机存取存储器(MRAM)器件的写入(编程)。
背景技术
在用于电子应用的集成电路中使用半导体，该半导体包括无线电设备、电视、蜂窝电话和个人计算设备。一种类型的半导体器件是半导体存储器件，诸如动态随机存取存储器(DRAM)或闪存，它们都使用电荷来存储信息。
最近对半导体存储器件的开发涉及自旋电子，其将半导体技术与磁材料和设备相结合。电子的自旋极化(而不是电子的电荷)被用于表示“1”或“0”的状态。如图1所示，一种这样的自旋电子器件是自旋力矩转移(STT)磁隧道结(MTJ)器件10。
MTJ器件10包括自由层12、隧道层14和固定层(pinned layer)16。自由层12的磁化方向可以通过施加穿过隧道层14的电流来反转，这引起自由层12内的注入极化电子对自由层12的磁化施加所谓的自旋力矩。固定层16具有固定的磁化方向。当电流I1在从自由层12到固定层16的方向上流动时，电子在相反方向上流动，即，从固定层16向自由层12流动。在通过固定层16，流过隧道层，然后流入并积聚在自由层12中之后，电子被极化为固定层16的相同极化方向。最后，自由层12的磁化与固定层16的磁化平行，并且MTJ器件10将处于低阻状态。由电流I1引起的电子注入被称为王注入。
当施加从固定层16流向自由层12的电流I2时，电子在从自由层12向固定层16的方向上流动。极化方向与固定层16的磁化方向相同的电子能够流过隧道层14并进入固定层16。相反，极化与固定层16的磁化不同的电子将被固定层16反射(阻挡)，并且将积聚在自由层12中。最后，自由层12的磁化变得与固定层16的磁化逆平行，并且MTJ器件10将处于高阻状态。由电流I2引起的相应电子注入被称为次注入。
为了消除MRAM单元的寄生负载，当MRAM单元被集成到MRAM阵列中时，选择器被用于将未被选择的MRAM单元与源线电隔离。例如，图2示出了包括MTJ器件10和选择器20的MRAM单元，选择器20被字线22所控制并连接在位线BL和源线SL之间。当MTJ器件10被选择用于写入或读取时，字线22被设置为逻辑高，使得写入电流I可以通过MTJ器件10。然而，选择器20的添加引起了每MRAM单元芯片面积的增加。为了减小选择器20的芯片面积使用，选择器20通常较小。然而，这意味着写入电流I被限制。
MRAM单元的写入与量子机制相关，并且成功写入的可能性与两个因素相关，即，写入电流I和写入电流I的脉冲宽度。写入电流I越大和/或写入脉冲越长，成功写入的可能性就越大。由于如图2所示的选择器限制了写入电流I，所以必须增加脉冲宽度。然而，由于诸如写入电流变化、量子机制和突然电源变化的因素，即使增加了脉冲宽度，在MRAM单元的写入中仍然存在不确定性。结果，可以以相对较短的写入脉冲写入大多数MRAM单元，而少量的MRAM单元要求更长的写入时间。为了确保在写入中不发生失败，脉冲宽度必须足够大以确保即使要求最长脉冲的MRAM单元也能够被成功写入。这意味着脉冲宽度将显著地大于大多数MRAM单元所要求的脉冲宽度。因此，显著增加了写入时间。由此需要用于解决上述问题的方法。
【发明内容】
根据本发明的一个方面，一种写入磁阻随机存取存储器(MRAM)单元的方法包括：提供写入脉冲以向MRAM单元写入值；以及在提供写入脉冲的步骤之后立即检验MRAM单元的状态。在写入失败的情况下，将值重写入MRAM单元。
根据本发明的另一方面，一种写入MRAM单元的方法包括：向第一MRAM单元提供第一写入脉冲，其中，第一写入脉冲的预期一次写入可能性小于100％；执行验证以检验第一MRAM单元的第一状态；以及提供第二写入脉冲以重写第一MRAM单元。
根据本发明的又一方面，一种写入MRAM单元的方法包括：向MRAM单元提供第一写入脉冲；停止第一写入脉冲；以及在停止第一写入脉冲的步骤之后，提供第二写入脉冲以重写MRAM单元。在提供第一写入脉冲的步骤和提供第二写入脉冲的步骤之间，不向与该MRAM单元处在相同MRAM阵列中的其它MRAM单元写入或从其读取。
本发明的优点包括写入MRAM单元的减小的写入时间，而无需增加MRAM单元的选择器的尺寸。
【附图说明】
为了更全面地理解本发明及其优点，将参考结合附图所进行的以下描述，其中：
图1示出了磁隧道结(MTJ)器件的截面图；
图2示出了包括由选择器控制的MTJ器件的MRAM单元；
图3示出了用于写入MRAM单元的写入脉冲的示意性波形和用于提供写入脉冲的电路；以及
图4和图5是用于写入MRAM单元的写入脉冲的示意性波形。
【具体实施方式】
下面，详细描述本发明优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在具体环境下实现的许多可应用的发明概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。
提出了一种用于写入磁阻随机存取存储器(MRAM)单元的新方法。随后，将讨论实施例的改变和操作。贯穿本发明的不同附图以及示例性实施例，相同的参考标号用于表示相同的元件。
图3示出了MRAM单元100，其包括磁隧道结(MTJ)器件30和选择器40。MTJ器件30包括自由层32、隧道层34和固定层36。固定层36的磁化方向是固定的，而自由层32的磁化方向可以通过施加写入电流I来改变。写入电流I可以处于如图3所示的方向或者处于相反方向。通过施加处于不同方向的写入电流I，MTJ器件30可以被编程为不同状态。应该认识到，MTJ器件30可包括具有不同组合的更多层，这些组合也在本发明实施例的范围之内。
MTJ器件30被选择器40控制，选择器40可以是金属氧化物半导体(MOS)晶体管。选择器40的栅极可连接至字线WL。当截止时，选择器40可以将MTJ器件30与源线SL隔离。当对MTJ器件30执行写入或读取操作时，选择器40导通，从而写入或读取电流可以流过MTJ器件30。MRAM单元100还可以连接至位线BL。尽管图3示出了自由层32的一侧连接至位线BL，同时固定层36的一侧连接至选择器40，但连接可以反转。
图3还示出了用于写入(编程)MTJ器件30的写入电流I的示意性波形。写入电流I包括一个或多个写入脉冲WP(表示为WP1、WP2、WP3等)，其间写入电流I的大小大于写入MTJ器件30所要求的临界电流。如果电流I小于临界电流，则无论写入脉冲WP的宽度W，MTJ器件30都不能够成功写入。应该注意，写入电流I的大小与选择器40的性能和尺寸相关，并且选择器40越大，写入电流I越大。
写入脉冲WP的脉冲宽度W被设计为，通过一个写入脉冲WP成功写入的可能性(下文称为一次写入可能性)小于100％，这意味着写入(被设计为)具有失败的预期可能性。这与传统的写入方案不同，在传统的写入方案中，即使可能存在写入失败，预期的一次写入可能性也为100％。另一方面，期望成功写入的可能性大于50％。换句话说，MRAM阵列中的大多数MRAM单元将在一个写入脉冲之后被成功写入。
在第一写入脉冲WP(表示为WP1)之后，执行验证以检验先前的写入是否成功。在图3中，验证周期被表示为VP(表示为VP1、VP2、VP3等)，其间不向MTJ器件30提供写入电流I。代替地，小于临界电流的小电流可用于通过测量例如MTJ器件30的阻抗来确定MTJ器件30的状态。验证周期VP1可以立刻在第一写入脉冲WP1之后。在一个实施例中，术语“立刻”意味着在写入脉冲WP1和验证周期VP1之间不执行向同一MRAM阵列中的其他MRAM单元(未示出，但具有与图3中的MRAM单元100相同的结构)的写入。术语“立刻”还意味着验证周期VP1在完成写入脉冲WP1之后执行非常短的时间，例如在100毫微秒之内，或者甚至在50毫微秒之内。
如果在验证周期VP1期间执行的验证指示通过写入脉冲WP1执行的写入成功，则完成对MTJ器件30的写入，并且将不再执行表示为WP2、WP3等的其它写入脉冲。然而，如果写入不成功，则利用写入脉冲WP1所尝试的相同值来施加写入脉冲WP2以重写MTJ器件30。在一个实施例中，如图3所示，写入脉冲WP2基本上与写入脉冲WP1相同，例如，具有基本相同的脉冲宽度W和相同的电流大小。由于写入与可能性相关，所以通过写入脉冲WP1和WP2成功写入MTJ器件30的可能性大于写入脉冲WP1单独的一次写入可能性。在一个实施例中，在完成MTJ器件30的验证周期VP1之后立刻提供写入脉冲WP2，例如，在100毫微秒之内，或者甚至在50毫微秒之内。在写入脉冲WP2之后，执行另一个验证VP2。再次，如果通过写入脉冲WP2执行的写入成功，则完成写入，并且不再执行诸如写入脉冲WP3的其它写入脉冲。然而，如果写入不成功，则利用写入脉冲WP1和WP2所尝试的相同值来施加写入脉冲WP3以重写MRAM单元100。
在上述实施例中，每个写入脉冲WP之后都跟随验证周期VP，并且写入脉冲WP和随后验证VP的组合被称为写入-验证循环。包括写入-验证循环的相应写入方案被称为可能性写入方案。应该意识到，每个附加写入脉冲WP都导致成功写入可能性的增加。最终，将继续写入-验证循环，直到MTJ器件30被成功写入。在一个实施例中，如果MTJ器件30在预定数量的写入-验证循环之后不能被写入，则写入努力将被暂停，并且对应的MRAM单元100被标记为有缺陷的。
优选地，一次写入可能性足够大，使得存储阵列中的大多数MRAM单元可以在第一写入脉冲WP1之后被成功写入。另一方面。一次写入可能性优选小于100％。否则，写入脉冲WP1的脉冲长度W被不必要地设置得很长，并且也不能实现本发明实施例的有利特征。在一个实施例中，一次写入可能性可大于99％且小于100％。在其他实施例中，一次写入可能性可小于99％。在又一实施例中，一次写入可能性可小于90％。在又一实施例中，一次写入可能性可小于70％。可以通过实验找到用于实现上述一次写入可能性的写入电流I的大小和脉冲宽度W的适当组合。
由于可能性写入，在MRAM阵列中，可能存在可在第一写入-验证循环内被成功写入的第一MRAM单元(图3中示出为RMAM单元100)。另一方面，可能存在第二MRAM单元(图3中示出为RMAM单元100)，其在成功写入之前可能需要第二、第三或者甚至更多的写入-验证循环。
通过将一次写入可能性减小到小于100％的值，与实现100％一次写入可能性所要求的传统脉冲宽度相比，脉冲宽度W大大减小。由此，大大减小了总的写入时间。尽管可能存在要求附加写入脉冲的小百分比的存储单元，但总的写入时间仍然是大大减小。
在图3所示的实施例中，所有的写入脉冲WP彼此都是相同的，或者基本相同，例如，其中小于10％变化的电流大小和/或脉冲长度W。在可选实施例中，写入脉冲WP彼此不同。例如，在图4所示的实施例中，每个附加写入脉冲都可具有比前一写入脉冲更大的脉冲长度，直到在特定时间确定MRAM单元具有缺陷，并且暂停写入。在图5所示的可选实施例中，第一写入脉冲WP1最短，而随后的写入脉冲变长，并且可以彼此相同或不同。本领域的技术人员应该意识到，对于写入脉冲WP的长度可以存在多种组合，这些组合也在本发明实施例的范围之内。
返回参照图3，示出了示例性控制电路50。控制电路50被配置为提供前面段落所讨论的写入电流I，并检验MTJ器件30的状态(是否成功写入)。在一个实施例中，控制电路50包括用于提供写入电流I的电流源52以及用于测量MTJ器件30的状态的读取电路54。电流源52和读取电路54彼此同步以生成写入-验证循环。
尽管已经详细地描述了本发明及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。此外，每条权利要求构成单独的实施例，并且多个权利要求和实施例的组合在本发明的范围内。