專利名稱：同時從/向不同的存儲單元的讀取/寫入的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非易失性存儲陣列的讀和寫，特別是磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)，以及涉及一種將用于訪問非易失性存儲器的地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方法。
背景技術(shù)：
隨著存儲器大小的增長，使用非易失性存儲器的應(yīng)用范圍急劇擴(kuò)大。例如，已經(jīng)可以諸如利用MP3編碼將音頻存儲在非易失性固態(tài)存儲器中。期望在可預(yù)知的未來，也能夠以合理的成本將電影存儲在非易失性存儲器中。使用這種非易失性存儲器使得相對便宜和可靠的再現(xiàn)(rendering)設(shè)備成為可能，例如MP3播放器，并在手持的類似計算機(jī)的設(shè)備，諸如PDA和新一代移動電話中開啟了許多新的應(yīng)用。磁性或磁阻隨機(jī)存取存儲器(MRAM)目前被許多公司認(rèn)為是閃存的后繼品。除了最快的靜態(tài)RAM(SRAM)存儲器之外，它有潛力替代所有的存儲器。這就是非易失性存儲器，它意味著不需要電能來保持所存儲的信息。可見這是優(yōu)于大部分其它類型的固態(tài)存儲器的優(yōu)點。MRAM概念使用了作為信息存儲器的磁性多層設(shè)備中的磁化方向，以及用于信息讀出的所得到的電阻差。每個磁性存儲單元都能夠存儲至少兩個狀態(tài)，它們表示或者“1”或者“0”。磁性存儲單元的陣列通常被稱為磁性RAM或MRAM。
存在著不同種類的磁阻(MR)效應(yīng)，例如各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)和巨磁電阻效應(yīng)(GMR)。對于MRAM，優(yōu)選使用隧道磁阻(TMR)效應(yīng)。在磁隧道結(jié)(MTJ)中，利用薄膜的層積來形成存儲單元，在這些薄膜中至少兩個是鐵磁的或亞鐵磁的，并且由絕緣的隧道阻擋來分離。由兩個鐵磁或亞鐵磁層之間的傳導(dǎo)電子的自旋極化隧穿產(chǎn)生磁致電阻。在垂直于疊層的平面的方向上流動的隧穿電流取決于這兩個鐵磁或亞鐵磁層的磁矩的相對取向。觀察到當(dāng)所述膜的磁化方向平行時，隧穿電流最大(或因此電阻最小)，而當(dāng)所述膜的磁化方向反平行時，隧穿電流最小(或因此電阻最大)。
MTJ存儲元件通常包括分層的結(jié)構(gòu)，其中包含固定或不能動的(pinned)鐵磁層(PFL)、自由鐵磁層(FFL)和它們之間的電介質(zhì)阻擋。PFL層具有總是指向同一個方向的磁矢量。FFL層的磁矢量是自由的，但限制在層的易磁化軸(easy axis)之內(nèi)，它主要是由元件的物理尺寸所決定的。自由層的磁矢量指向如下兩個方向中的一個平行或反平行于固定層的磁化方向，這與所述易磁化軸相符。沿著這個易磁化軸，F(xiàn)FL層的這兩個可能的磁化方向定義了存儲單元的兩個狀態(tài)。PFL層的磁化方向比FFL的磁化方向更難以改變。在由經(jīng)過位線和字線的電流所產(chǎn)生的場的范圍中，PFL的磁化方向是固定或不能動的。用于寫存儲單元的磁場足夠大，以便反轉(zhuǎn)FFL的磁化方向，但不是PFL的方向。這樣，在MRAM中的存儲單元的操作期間，PFL的磁化不改變方向。
為了訪問存儲元件，字線和位線分別在位于該MTJ疊層之下和之上的兩個金屬層中形成圖案。每個存儲元件都位于字線和位線的交叉點區(qū)域。字線沿著存儲元件的行延伸，而位線沿著存儲元件的列延伸。在讀取期間，將電流引導(dǎo)通過要讀取的單元。由于單元共享字線和位線，因此公知地每個單元使用一個晶體管，以便控制讀取電流饋送通過哪一個單元。這種MRAM被稱為1T1MTJ MRAM(每個MTJ單元一個晶體管)。US5,640,343介紹了一種可選擇的MRAM，它為每個單元使用了一個二極管來控制讀取。這種所謂的0T1MTJ MRAM的優(yōu)點是它占用了較小的芯片面積。

圖1示出了公知的0T1MTJ MRAM。磁阻存儲單元的MRAM陣列包括一組在一個水平面上作為平行字線WL1、WL2和WL3的導(dǎo)電軌跡，以及一組在另一水平面上作為平行位線BL1、BL2和BL3的導(dǎo)電軌跡。位線在不同的方向上取向，通常與字線呈直角，以致于從上面看去兩組線相交叉。存儲單元，例如典型的存儲單元10，位于垂直地間隔在線間的交叉區(qū)域中的字線和位線的每個交叉點上。以垂直疊層的形式設(shè)置存儲單元10，并且其包括類似二極管的器件7以及磁隧道結(jié)(MTJ)8。在陣列的操作期間，電流在垂直方向上流經(jīng)單元10。經(jīng)過存儲單元的垂直電流通路使得存儲單元占用非常小的表面積。字線的觸點、MTJ、二極管和位線的觸點都占用同樣的面積。該陣列形成在襯底之上，例如是可存在其它電路(未示出)的硅襯底。類似二極管的器件和MTJ的詳細(xì)結(jié)構(gòu)與本發(fā)明沒有關(guān)系。
當(dāng)FFL的磁化方向從平行于PFL的磁化方向切換到反平行于PFL的磁化方向的時候，MTJ8改變電阻。如將要解釋的，出現(xiàn)這種情況歸因于當(dāng)電流流經(jīng)位線和字線時所產(chǎn)生的磁場。當(dāng)有足夠大的電流流經(jīng)MRAM的字線和位線兩者時，在字線和位線的交叉點如此組合的電流的自場將會旋轉(zhuǎn)位于所激發(fā)的字線和位線交叉點上的單個特定MTJ的FFL的磁化。設(shè)計電流電平，以便使組合的自場超過FFL的切換場。將該自場設(shè)計為比旋轉(zhuǎn)PFL的磁化所需的場要小得多。設(shè)計單元陣列體系結(jié)構(gòu)，以便使寫電流不流經(jīng)MTJ本身。通過使讀出電流垂直地流過二極管和MTJ，從PFL經(jīng)過隧道結(jié)阻擋流至FFL(或反之亦然)，來讀取存儲單元。通過當(dāng)比寫電流小得多的讀出電流垂直地流過MTJ時測量存儲單元的電阻，來確定存儲單元的狀態(tài)。這種讀出或讀取電流的自場是可以忽略的，并且也不會影響存儲單元的磁狀態(tài)。隧道電流是自旋極化的，這意味著從鐵磁層之一，例如PFL流出的電流主要由一種自旋類型的電子所組成(上旋或下旋，這取決于鐵磁層的磁化的取向)。當(dāng)兩個層的磁矩平行時，電荷載流子的隧穿可能性是最高的，而當(dāng)磁矩反平行時，該可能性最低。結(jié)果，F(xiàn)FL的兩個可能的磁化方向唯一地定義了存儲單元的兩個可能的位狀態(tài)(0或1)。
為了對0T1MTJ MRAM進(jìn)行讀和寫，只需要位線和字線；不需要來自陣列外部的其它控制線來讀或?qū)懘鎯卧拇鎯顟B(tài)。這就提供了一種非常有效的存儲陣列。通過使電流Ib流經(jīng)位線BL3，并使電流Iw流經(jīng)連接到單元10的字線WL3，來對選擇的單元，例如圖1的單元10進(jìn)行寫入。位線控制電路附加在位線上，并且控制電流Ib。字線控制電路附加在字線上，并且控制電流Iw。由于Ib或者Iw單獨在單元的區(qū)域中產(chǎn)生的磁場小于改變單元中的磁狀態(tài)所需的磁場，因此半選的單元(那些只有Ib或Iw單獨流過的單元)沒有被寫入。然而，Ib和Iw的磁場的組合足以改變所選擇的存儲單元10的狀態(tài)。電流Ib或Iw中的至少一個必須是可反轉(zhuǎn)的，以便寫入單元10的兩個不同的磁狀態(tài)。位線也連接到讀出電路，該讀出電路是位線控制電路的一部分。寫操作期間位線的電壓電平接近電壓Vb，以便于提供雙向電流。字線的電壓電平接近一個更高的正電壓Vw。選擇電壓電平以保證陣列中的所有二極管都被反向偏置，以便使電流Ib和Iw不垂直流經(jīng)任何存儲單元。在讀取操作中，通過將字線WL3電壓下拉至Vb，并將位線BL3電壓升高至Vw，從而將正向偏置電壓建立在所選擇的單元10上。在讀取期間，未選擇的位線BL1、BL2保持在備用電壓電平Vb上，而未選擇的字線WL1、WL2保持在備用電壓電平Vw上。半選的單元從字線到位線具有零電壓降，并且不導(dǎo)通。所選擇的存儲單元的電阻決定了從位線經(jīng)由該所選擇的存儲單元流至字線的讀出電流。在讀出電路中，該電流與一個參考電流進(jìn)行比較，其差值被放大來讀取在所選擇的單元10中存儲的數(shù)據(jù)，其中該參考電流的值設(shè)置為存儲單元的兩個可能狀態(tài)的預(yù)期值的一半的值。
特別對于移動設(shè)備來說，降低存儲設(shè)備的功耗是非常重要的。對于非易失性存儲器，通常寫操作功耗最大。例如，對MRAM元件的寫操作涉及兩個幾mA的電流脈沖，對于要寫的字的每一位，這兩個電流脈沖必須通過位線和字線同時發(fā)送。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是降低非易失性存儲設(shè)備的功耗。
為了滿足本發(fā)明的目的，非易失性存儲陣列包括第一組多條導(dǎo)電線(以下稱為“字線”)；第二組多條導(dǎo)電線(以下稱為“位線”)；多個存儲單元，每個存儲單元位于所述字線之一和所述位線之一的交叉區(qū)域內(nèi)；以及讀/寫電路，用于讀/寫包括多個位的數(shù)據(jù)字；該電路可用于將數(shù)據(jù)字的每對連續(xù)位映射到位于不同字線和不同位線兩者交叉的區(qū)域的相應(yīng)的一對存儲單元。
存儲器的位設(shè)置在每個都具有多個位的字中。字是存儲器中可訪問(寫入或讀取)的最小的單位。傳統(tǒng)地，在寫操作期間，存儲器中的讀/寫電路寫入一個字的所有連續(xù)位，并在讀取操作期間，讀取一個字的所有連續(xù)位。對單個位的隨機(jī)訪問是不可以的。通常，在隨機(jī)存取存儲器(RAM)中可以隨機(jī)地訪問字。由于在讀或?qū)懫陂g字的所有位都被訪問，因此通常字的連續(xù)位被映射到物理上連續(xù)的存儲單元上，即具有相同字線號并連續(xù)地增加位線號的單元。這通常意味著如果字的數(shù)據(jù)位正在被寫入(使用高電流)，就不可以將所涉及的字線和位線用于其它目的，例如讀取另一單元。例如對于0T1MTM設(shè)備來說，將正確的偏置電平施加給選擇的設(shè)備，典型地是二極管，就是非常重要的，使得不可以將寫操作中涉及的位線和字線用于讀取另一單元。這意味著，使用傳統(tǒng)的字到存儲單元的映射，不可能同時訪問同一字的其它位。本發(fā)明的發(fā)明人了解到連續(xù)的位可以被映射，以致于它們使用不同的位線和字線，使得能夠?qū)ψ值倪B續(xù)位進(jìn)行并行訪問。這個原理可應(yīng)用于MRAM，也可用于其它類型的“橫桿(cross-bar)”存儲器，例如新興的分子存儲器。
根據(jù)從屬權(quán)利要求2的方法，通過讀取位bi(i＝1…N)的當(dāng)前值并且只在該當(dāng)前值與bi的新值不同時執(zhí)行對位bi的寫操作；以及同時執(zhí)行對位bi的有條件的寫操作和對位bi+1的讀操作，接口電路可用于寫入具有多個位bi的數(shù)據(jù)字。以這種方式，平均來說一半的位不需要進(jìn)行重寫，這是因為它們已經(jīng)具有了所需要的值。由于對于非易失性存儲器，例如MRAM，寫電流比讀電流大得多，這就降低了功率。通過本發(fā)明實現(xiàn)的并行地對位bi寫入和對位bi+1的讀取，使得這種操作成為可能，而不降低存儲器的性能。
應(yīng)當(dāng)注意的是，未提前公開的專利申請WO03034437介紹了一種新的MRAM設(shè)備，其中在“觸發(fā)(toggle)寫”模式中，為了能夠?qū)⒋鎯υ懭肫谕臓顟B(tài)，必須首先讀取MRAM設(shè)備的初始狀態(tài)，并與待寫入的狀態(tài)進(jìn)行比較。然后只有當(dāng)所存儲的狀態(tài)與待寫入的狀態(tài)不同時，對MRAM設(shè)備寫入。據(jù)介紹，這種方法的一個優(yōu)點是降低了功耗，這是因為只有不相同的位被切換。該專利申請沒有介紹執(zhí)行連續(xù)的讀和寫的方法。根據(jù)本發(fā)明的存儲器位圖可以有效地用于新的MRAM設(shè)備中，以獲得高性能。
根據(jù)從屬權(quán)利要求3的方法，數(shù)據(jù)字包括由字存儲器地址所表示的多個連續(xù)位bi(i＝1…N)；讀/寫電路可用于將字存儲器地址轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的位b1的物理存儲地址，其中該位b1的物理存儲器地址包括字線號y1和位線號x1，并通過每次增加位線號以及改變字線號(yi+1≠yi)而為字中的連續(xù)位產(chǎn)生各自的位地址。增加位線號是為連續(xù)位產(chǎn)生不同的位線號的一種簡單方法。增加值優(yōu)選為1，但也可以是不同的值。這種值可以是固定值或者是位的位置特定值。以這種方式，可以獲得將字映射到存儲單元的各種圖案。可以理解，如果字線和位線相互交換，也可以使用相同的原則。
在優(yōu)選的映射中，以傳統(tǒng)的方式確定位線號，并對字線號進(jìn)行簡單轉(zhuǎn)換。根據(jù)從屬權(quán)利要求4的方法，讀/寫電路可用于如下地確定yi+1
yi+1＝y(tǒng)1+((x1+i+1)MOD2)，如果y1是奇數(shù)，以及yi+1＝y(tǒng)1-((x1+i+1)MOD2)，如果y1是偶數(shù)，這里i＝1…N-1。
通常，對于一個字內(nèi)的連續(xù)位，位線號每次增加1(這樣對于兩個連續(xù)的位就會自動地不同)。一個字內(nèi)的連續(xù)位的字線號通常是相同的。在優(yōu)選實施例中，字線在字內(nèi)的連續(xù)位的兩個值之間觸發(fā)，以給出Z字形圖案。應(yīng)當(dāng)理解其他的映射也是可能的。
根據(jù)從屬權(quán)利要求5的方法，讀/寫電路可用于映射一組具有各個連續(xù)地址的多個字，從而對于該組中的每個字Wi和Wk，字Wi在順序上的最后一位和字Wk在順序上的第一位映射到位于不同的字線和不同的位線相交叉的區(qū)域的相應(yīng)的一對存儲單元。以這種方式，就可以對覆蓋多個連續(xù)字的位序列繼續(xù)執(zhí)行并行的操作。也可以連續(xù)地訪問在該組中隨機(jī)選出的字，而不必等待。
優(yōu)選地，存儲陣列是0T1MTJ MRAM，其中每個存儲單元包括磁隧道結(jié)。每個存儲單元可包括與該磁隧道結(jié)串聯(lián)電連接的選擇器件。這種選擇器件可以是二極管，或者是具有非線性V-I特性的器件。
為了滿足本發(fā)明的目的，一種將用于訪問非易失性存儲器中的數(shù)據(jù)字的地址轉(zhuǎn)換為存儲器位置的標(biāo)識序列的方法，其中數(shù)據(jù)字包括由字存儲器地址表示的多個連續(xù)位bi(i＝1…N)，該方法包括將字存儲器地址轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的位b1的物理存儲器地址，其中該位b1的物理存儲器地址包括字線號y1和位線號x1，并通過改變位線號(xi+1≠xi)以及改變字線號(yi+1≠yi)而為字中的連續(xù)位產(chǎn)生各自的位地址，這里i＝1…N-1。
本發(fā)明的這些和其它方面將通過參考下文描述的實施例進(jìn)行闡明并變得顯而易見。
附圖簡述在附圖中圖1示出了具有MTJ單元的縱橫存儲器；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明用于第一組字的一個示意性映射圖案；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明用于第二組字的一個示意性映射圖案；圖4示出了用于0T1MTJ MRAM的偏置電平的第一實施例；以及圖5示出了用于0T1MTJ MRAM的偏置電平的第二實施例。
優(yōu)選實施例圖1示出了其中可以使用本發(fā)明的MRAM，例如公知的0T1MTJMRAM。磁阻存儲單元的MRAM陣列包括一組在第一水平面上作為平行字線WL1、WL2和WL3的導(dǎo)電軌跡，以及一組在第二水平面上作為平行位線BL1、BL2和BL3的導(dǎo)電軌跡。位線朝向不同的方向，通常與字線呈直角，所以從上面看時兩組線交叉。存儲單元，例如典型的存儲單元10，位于垂直地間隔在線之間的交叉區(qū)域中的字線和位線的每個交叉點上。以垂直疊層的形式設(shè)置存儲單元10，并且其可包括選擇器件7和磁隧道結(jié)(MTJ)8。優(yōu)選地，該選擇器件不是晶體管(transistor-less)，例如是二極管，或者是具有非線性V-I特性的器件。典型地，MTJ存儲元件包括分層的結(jié)構(gòu)，其中包含固定或不能動的鐵磁層(PFL)、自由鐵磁層(FFL)和它們之間的電介質(zhì)阻擋。磁隧道結(jié)可以是公知的MTJ，例如是US5,640,343中介紹的那一種。在優(yōu)選實施例中，MTJ對應(yīng)于未提前公開的專利申請WO03034437中介紹的單元。在示意性的實施例中，至少FFL包括合成的反鐵磁層。合成的反鐵磁層材料包括至少兩個鐵磁層，它們反鐵磁地耦合在一起。優(yōu)選地，通過在每個相鄰的鐵磁層之間夾入反鐵磁耦合分隔層，來反鐵磁地耦合所述鐵磁層。合成的反鐵磁層材料可以是鐵磁層/反鐵磁耦合分隔層/鐵磁層的三層結(jié)構(gòu)。與圖1所示的結(jié)構(gòu)不同，對于這些MTJ，優(yōu)選至少鐵磁層(包括感應(yīng)的各向異性和/或形狀各向異性)的易磁化軸設(shè)置為字線和數(shù)字線(digit line)之間的45度角。可以為PFL設(shè)置相同的各向異性取向。
WO03034437還介紹了一種所謂的“觸發(fā)寫”方法。當(dāng)使用該觸發(fā)寫方法的時候，需要在寫之前確定MRAM器件的初始狀態(tài)，這是因為在每次對MRAM器件進(jìn)行寫入的時候切換該狀態(tài)，只要是為字線和數(shù)字線兩者選擇相同極性的電流脈沖而不管電流的方向。例如，如果最初存儲的是“1”，那么在一個正電流脈沖序列流經(jīng)字線和數(shù)字線之后，該器件的狀態(tài)將被切換為“0”。在存儲的“0”狀態(tài)上重復(fù)正電流脈沖序列使其回到“1”。這樣，為了能夠向存儲元件寫入所需狀態(tài)，必須首先讀取MRAM器件的初始狀態(tài)，并與要寫入的狀態(tài)進(jìn)行比較。這種讀取和比較需要額外的邏輯電路，包括用于存儲信息的緩沖器和用于比較存儲狀態(tài)的比較器。然后只在所存儲的狀態(tài)與要寫入的狀態(tài)不同時對MRAM器件進(jìn)行寫入。這種方法的一個優(yōu)點是降低了功耗，這是因為只有不相同的位被切換。使用觸發(fā)寫方法的另一優(yōu)點是只需要單極性電壓，從而可以使用較小的N溝道晶體管來驅(qū)動MRAM器件。當(dāng)1T1MTJ存儲器類型中使用這種存儲器疊層時，對一個單元寫入并且同時讀取下一單元就是可能的，這是因為數(shù)字線(用于寫入的兩條線中的一條)與讀取電流通路分離。然而，如果在0T1MTJ存儲器類型中使用所述疊層，讀和寫操作兩者共享相同的一組位線和字線。這意味著“觸發(fā)寫”模式總是要在寫之前進(jìn)行讀，這樣明顯增加了總的寫時間。根據(jù)本發(fā)明的存儲器位圖提供了對此的解決方案。
在通常的RAM技術(shù)中，以完整的字來分類及管理信息。每個字由多個位構(gòu)成，例如4、8或16位等等。典型地，這些字自身可以被隨機(jī)訪問。字中的單個位不能被隨機(jī)訪問。需要訪問一個位的應(yīng)用程序只能不得不讀取整個字。為了對一個字進(jìn)行讀或?qū)懖僮?，?yīng)用程序指定了字地址。讀/寫電路將該字地址轉(zhuǎn)換為與包含該字的第一位的存儲單元相應(yīng)的物理字線號和位線號。讀/寫電路然后通過將位線號增加1并訪問該存儲單元直至完成整個字的訪問，來訪問該字的所有連續(xù)位。在每個字中，位以物理行順序來設(shè)置；這意味著字中的連續(xù)位落在同一行中。所有的位和字在存儲器位圖中都有它們固定的地址。位存儲器映射圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的存儲陣列，其中存儲器位圖被重新定義，從而使一個字中的位序列不遵循傳統(tǒng)的直列順序。根據(jù)本發(fā)明，一個字中的相鄰位不共享相同的位線也不共享相同的字線。本發(fā)明將針對0T1MTJ MRAM進(jìn)行介紹，但原則上本發(fā)明可以用于使用(或需要)有條件的位的寫入(例如為省電)或兩個連續(xù)位的并行讀和寫的任意存儲器陣列。特別地，根據(jù)本發(fā)明的映射允許寫-同時-讀的操作，而不引入任何額外的線。在圖2的實例中，MRAM陣列包括8列6行，并且一個字包含4位。實際上，以上數(shù)字可以不同。在兩個不同的金屬化平面上有兩組正交的線。一組被稱為位線(列方向)，由BL1至BL8所示出；另一組被稱為字線(行方向)，由WL1至WL6所示出。存儲元件(MTJ-二極管疊層)位于這些線的交叉點上。如存儲元件210所示。在該實例中，存儲元件包括一個與MTJ 214串聯(lián)的選擇器件212。該選擇器件可以是二極管或者是具有非線性V-I特性的器件，但也可以使用任何其它合適的0T1MTJ存儲單元。
在常規(guī)的位圖中，第一字(字1)包含單元(1-1)、(2-1)、(3-1)、(4-1)，這里第一個索引表示列號(位線)而第二個索引表示行號。字2包含位(5-1)、(6-1)、(7-1)、(8-1)等等。在這種情況下，同一字的位存在于同一行中。在根據(jù)本發(fā)明的存儲陣列中，打破了這種直列順序。圖2示出了實現(xiàn)這種陣列的合適的圖案。在該實例中，建議以Z字形順序來存儲字的連續(xù)位字1包含(1-1)、(2-2)、(3-1)、(4-2)；字2包含(5-1)、(6-2)、(7-1)、(8-2)等等，直至右下角的字6。位訪問順序如圖2中的用于字1和2的箭頭所示。從字1到字6的所有字占用灰色的單元，其占全部單元的一半。這6個字組成第一組字，稱為組1。圖3示出了第二組字，稱為組2以相似的方式填充包含所有白色單元的剩余的陣列。
可以理解許多映射都是可能的。一種有效的方式是先將字地址轉(zhuǎn)換為該字的第一位的物理地址，這里該字地址例如是由處理器在程序控制之下所指定的。該物理地址包括位線號和字線號。在這里給出的實例中，假設(shè)字包括偶數(shù)個位，并且偶數(shù)個字適合一條字線。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠適應(yīng)性地為不同大小的存儲器進(jìn)行映射。使用如下定義·MA是字地址，例如由微處理器所提供，從MA＝1開始第一個字；·Nw是行中的字的數(shù)量；·Nr是陣列的行號或字線號；·Ws是字的大小(字中的位的數(shù)量)；·Na是陣列中的總位數(shù)。
將字存儲器地址轉(zhuǎn)換為圖2和3的Z字形圖案的第一位和隨后的位的物理地址可以描述成如下所述對于組1中的字(即，MA＜＝Na/(Ws/2))x1＝[(MA-1)MOD Nw]*Ws+1y1＝[(MA+Nw-1)DIV Nw]*2-1xi+i＝xi+1yi+1＝y(tǒng)1+((x1+i+1)MOD 2)對于組2中的字(即MA＞Na/Ws/2)x1＝[(MA-1)MOD Nw]*Ws+1y1＝[(MA+Nw-1)DIV Nw]*2-Nr
xi+1＝xi+1yi+1＝y(tǒng)1-((x1+i+1)MOD 2)MOD是返回除法的余數(shù)的函數(shù)。這意味著當(dāng)x是偶數(shù)時(x MOD 2)是0而x是奇數(shù)時(x MOD 2)是1。在優(yōu)選的實施例中，連續(xù)的位線號是通過增加位線號而產(chǎn)生的。原則上，增量系數(shù)是可選的。優(yōu)選地，增量是1。如此，使用xi表示具有N位的字中的位bi的位線號(i＝1至N)，則其簡單地遵循xi+1＝xi+1。
原則上，對于每一對連續(xù)的位，也可以通過增加字線號來實現(xiàn)字線號的改變。如上所述，可以按固定的因子，優(yōu)選為1，來進(jìn)行這種增加。可以理解，如果到達(dá)了陣列的邊界就需要將校正措施留在邊界之內(nèi)(例如包括對陣列的字線數(shù)執(zhí)行取模操作)。為了獲得Z字形圖案，不生成順序增加的字線號，而是會執(zhí)行觸發(fā)操作。這種觸發(fā)可以用許多方式來表示，例如上述的方式。該公式示出，與傳統(tǒng)存儲器映射相比較，只需要改變行號(y)的映射，而列號(x)以通常的方式來確定?？梢岳斫獾氖牵梢匀菀椎孬@得許多不同的Z字形圖案。
字存儲器映射在優(yōu)選的實施例中，讀/寫電路可用于將由多個字Wi形成的組與相應(yīng)的連續(xù)地址進(jìn)行映射，使得字Wi的在順序上的最后一位和字Wi+ 1的在順序上的第一位映射到相應(yīng)的一對存儲單元，其中這對存儲單元位于不同字線和不同位線兩者相交叉的區(qū)域上。更普遍地，對于該組中的所有字Wi和Wk，字Wi的在順序上的最后一位和字Wk的在順序上的第一位映射到相應(yīng)的一對存儲單元，其中這對存儲單元位于不同字線和不同位線兩者相交叉的區(qū)域上。這使得可以快速連續(xù)地訪問該組中隨機(jī)選取的字。使用圖2中的Z字形圖案，組1中的所有字開始于一個(奇-奇)位，結(jié)束于一個(偶-偶)位。以這種方式，從組1的字的最后一位到組1的另一個字的第一位的轉(zhuǎn)換涉及到位線(從偶數(shù)到奇數(shù))和字線(也是從偶數(shù)到奇數(shù))兩者的改變。因此，在組1中，連續(xù)的位操作，例如寫入位i的同時讀取位i+1也可以延續(xù)到跨越字的字邊界。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，組2中的所有字都開始于一個(奇-偶)位并結(jié)束于一個(偶-奇)位，例如字7包含(1-2)、(2-1)、(3-2)、(4-1)，而字8包含(5-2)、(6-1)、(7-2)、(8-1)等等。這里操作可以再次繼續(xù)擴(kuò)展到組2中的字的字邊界之外，這是因為從組2的一個字的最后一位到組2的另一個字的第一位的轉(zhuǎn)換涉及到位線(從偶到奇)和字線(從奇到偶)兩者的改變。在許多應(yīng)用程序中，要連續(xù)地訪問幾個字。只要這些字落在同一組中，如將在下面詳細(xì)描述的并行的讀/寫操作就總是可以的，而不會使循環(huán)變得松散。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠容易地確定遵循上述規(guī)則的多組連續(xù)的字。依賴于所選擇的用于在一個字中確定位圖的算法，一種設(shè)計一個組的方法是使用一個具有大量的位的假想字，并使用該算法將該長字映射到存儲器。每當(dāng)達(dá)到一個字的實際數(shù)量的位時，該長字就被分割成分離的字。
同時讀取和寫入如權(quán)利要求1所要求的非易失性存儲陣列，其中通過讀取位bi的當(dāng)前值，并且僅在當(dāng)前值與bi的新的值不同時才執(zhí)行對位bi的寫操作；并且同時執(zhí)行對位bi有條件的寫操作和對位bi+1的讀操作，則該讀/寫電路就可用于對具有多個連續(xù)位bi(i＝1…N)的數(shù)據(jù)字進(jìn)行寫入。作為一個實例，假設(shè)某時刻要求存儲器對屬于組1的字1寫入4個位(圖2)。開始讀取單元(1-1)，然后獲取該單元上的信息，僅在需要改變該內(nèi)容時才對單元(1-1)執(zhí)行寫操作。同時，存儲器可以執(zhí)行對下一單元的讀操作，也就是單元(2-2)。因為單元(2-2)不與單元(1-1)共享任一條線，對單元(2-2)的讀取不會受到對單元(1-1)的寫入的干擾。接著，當(dāng)如果如所期望地存儲器進(jìn)行到對單元(2-2)的寫入時，同時，開始讀取下一單元(3-1)。在對單元(4-2)的寫入同時讀取要被寫入的下一字的第一單元時結(jié)束對字1的寫順序。假設(shè)下一字是字2。則該順序就是寫(5-1)同時讀(6-2)，寫(6-2)同時讀(7-1)，寫(7-1)同時讀(8-2)，寫(8-2)同時讀取要被寫入的下一字的第一單元。事實上，下一字不必像上述實例那樣是相鄰的字。原則上，可在整個存儲陣列中隨機(jī)選擇。只在要寫入的下一字與前一字位于同一對字線但屬于不同組時才會發(fā)生沖突。例如，如果在對字3寫入之后對字10進(jìn)行寫入(它們屬于不同的組并共享相同的字線3和4)。在這種情況下，存儲控制器將決定在寫入前一字的最后一位之后讀取下一字的第一位。只有在這種條件下，才需要讀取第一位的額外時間。然而，這種情況的可能性(或頻率)是非常小的，也就是只有1/(行數(shù))。事實上，行數(shù)至少是幾百，這樣沖突情況的可能性(或頻率)就小于1％。
用于0T1MTJ MRAM的電路設(shè)計必須對常規(guī)MRAM電路進(jìn)行修改，以便允許讀-同時-寫的操作。圖2和3示出了用于0T1MTJ的根據(jù)本發(fā)明的示意性電路，其中在該0T1MTJ中使用與MTJ串聯(lián)的選擇器件，例如二極管。行選擇電路220可同時將兩條所選擇的字線連接到兩個分離的端子，連接到讀出電路230的一個用于讀取，而連接到行電流源240的另一個用于寫入。電流接收器290也連接到字線用于排出電流。列選擇電路270確保所選的位線將會連接到電流接收器250并且連接到列電流源260。未選擇的位線和字線連接到合適的偏置電平上，如隨后所述。通過這種設(shè)置，在對下一位進(jìn)行讀取的同時可以完成上一位的寫入。存儲器的讀/寫電路280負(fù)責(zé)將存儲器的外部所需的輸入地址轉(zhuǎn)換到存儲器內(nèi)部的實際的Z字形位圖(根據(jù)上面的公式)，并控制行選擇電路220和列選擇電路270正確地選擇地址。許多方法可用于在讀-同時-寫的操作期間對所述線進(jìn)行偏置，以便阻擋潛行電流，并且避免讀和寫同時發(fā)生時它們之間的相互干擾。
圖4示出了將正確的偏置電平施加到單元上的第一實施例。在該實例中，給出了4×4單元的陣列。假設(shè)在讀-同時-寫操作期間，選擇單元(2-2)進(jìn)行寫入同時選擇單元(3-3)進(jìn)行讀取。原則上，由于同時進(jìn)行讀和寫動作的復(fù)雜性，就必須有比常規(guī)情況所需要的更多的偏置電平，以便阻擋潛在的電流。在本實施例中，主要使用3個不同的電壓電平V1＜V2＜V3。當(dāng)存儲器處于備用模式時，所有的位線都處在V3，而所有的字線都處在V2，這樣所有的二極管都被反向偏置并且沒有電流流過所述單元。在讀-同時-寫操作期間，位線2(BL2)的點B降低至V3’＜V3，而點A保持在V3以便拉動寫電流Iwrite流經(jīng)BL2(如圖4B的上圖所示)。類似地，字線2(WL2)的點D降低至V2’＜V2，而點C仍然處在V2以便產(chǎn)生流經(jīng)WL2的第二寫電流Iwrite。這兩個寫電流脈沖依照寫策略可以具有不同的定時。在這里所示的情況下，這兩個脈沖具有相同的定時。選擇電壓電平以滿足下面的關(guān)系式V3＞V3’＞V2＞V2’。只要存儲陣列(或子陣列)不包含太多的單元這個關(guān)系式就是可行的。這是為了確保線的電阻不會太大(由于是長線)，因此線的端部之間的電壓降(即，V3-V3’或V2-V2’)不會太大，以便使差值V3-V2’仍然保持為小于芯片的電源電壓。例如，計算結(jié)果示出，對于厚度為150nm、寬度為200nm以及長度約為100μm(等于一個維度內(nèi)大約＞300個單元)的Cu線，如果需要10mA來寫入，那么線的端部之間的電壓降約為0.5V。采用典型的3V的芯片電源電壓，所提及的關(guān)系式也是可行的。上述關(guān)系式是為確保在寫期間，整個陣列中的所有二極管都是反向偏置的。
現(xiàn)在參考讀動作，同時將BL3設(shè)置為V2”＜V2(見圖4B的中間圖)以便產(chǎn)生從WL3(仍然處在V2)經(jīng)由單元(3-3)流到BL3的讀出電流，如圖4A所示。差值V2-V2”相對較小，在幾百mV的量級。同樣在同一時刻，所有未選擇的字線，即WL1和WL4被偏置到小于V2”的V1上(圖4B的下圖)。在該實例中不強(qiáng)制使V1一定大于V2’；它也可以較小。在圖4的實例中，選擇單元(2-2)進(jìn)行寫入，同時選擇單元(3-3)進(jìn)行讀取。寫電流流經(jīng)粗黑色的路徑，而讀取(讀出)電流流經(jīng)灰色的路徑。
采用上述偏置方案，在讀-同時-寫操作期間，所有的二極管都被反向偏置，從而除了正在被讀出的二極管(3-3)及有時二極管(3-2)之外，不會導(dǎo)通電流。二極管(3-3)被正向偏置，這樣使得讀出電流從讀出電路流至電流接收器。通過將該電流轉(zhuǎn)換為讀出電路中的電壓，就可以檢測單元(3-3)的狀態(tài)。有時，二極管(3-2)也可以被正向偏置。這種情況在當(dāng)該二極管位于字線的點C的末端附近的時候可能會發(fā)生，這樣二極管的p電極的電壓可能會大于n電極，即在V2”上偏置。小電流將從寫電流中潛出(sneak)，并流過單元(3-2)與讀出電流結(jié)合，結(jié)果在點F產(chǎn)生有些高的電流。然而，這種情況不會引起任何問題，這是因為讀出電路只讀出流經(jīng)點E從而流經(jīng)所選擇的單元(3-3)的電流。流經(jīng)(3-2)的電流將從WL2中的寫電流提取一定量。然而，與寫電流相比，它是可以被忽略的小，并且不會影響寫操作。
在第一實施例中，在讀-同時-寫操作期間，有時候小量的寫電流可能會泄漏到讀出路徑中，即使已經(jīng)證明這不會引起問題。圖5示出了采用不同的偏置方案的第二實施例。這種方案的優(yōu)點是它完全阻擋了所有的潛行電流。圖5B所示的圖中給出了用于偏置的電壓電平的關(guān)系V3＞V3’＞V2＞V2’＞V1＞V1’。差值V3-V3’和V1-V1’分別是在寫入期間位線和字線上的電壓降。差值V2-V2’用于產(chǎn)生流經(jīng)讀出路徑的讀出電流。由于寫電流比讀電流大得多，因此V2-V2’小于V3-V3’或V1-V1’。必須這樣設(shè)計陣列，以便滿足所提及的關(guān)系式，并且所有電平中的總差值必須在芯片的電源電壓之內(nèi)。在備用期間，所有位線都在V3上偏置，而所有的字線都在V1上偏置。由于所有的二極管都被反向偏置，因此它們都被阻擋。在讀-同時-寫操作期間，BL2的點B下拉至V3’以產(chǎn)生寫電流。類似地，WL2的點D下拉至V1’以引出寫電流。同時BL3被設(shè)置為V2’而WL3升高至V2，在二極管(3-3)上產(chǎn)生正向偏置，從而使讀出電流流經(jīng)單元(3-3)。在這種情況下，所有的二極管都被反向偏置并被阻擋，除了正在被讀取的單元的二極管(3-3)。在圖5中，選擇單元(2-2)進(jìn)行寫入，同時選擇單元(3-3)進(jìn)行讀取。寫電流流經(jīng)粗黑色的路徑，而讀取(讀出)電流流經(jīng)灰色的路徑。
可以理解本發(fā)明不限于MRAM結(jié)構(gòu)，其中該MRAM結(jié)構(gòu)包括沉積在p-n結(jié)二極管疊層頂部上的MTJ疊層。它同樣也可應(yīng)用于包含MTJ疊層和作為選擇器件的疊層的任意結(jié)構(gòu)，其中該疊層例如是非線性金屬-絕緣體-金屬疊層、浮墊(Camel)二極管、平面摻雜的阻擋器件或反向二極管。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠為這些情形設(shè)計不同的偏置方案。
值得注意的是，上述實施例示出了本發(fā)明，而不是限制了本發(fā)明，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離所附權(quán)利要求書的范圍的情況下可以設(shè)計許多可選擇的實施例。在權(quán)利要求書中，不應(yīng)該將括號中的任何參考標(biāo)記看成是對權(quán)利要求的限制。詞“包括”和“包含”并不排除不同于權(quán)利要求所列出的其它元件或步驟的存在。
權(quán)利要求
1.一種非易失性存儲陣列，包括第一組多條導(dǎo)電線(以下稱為“字線”)；第二組多條導(dǎo)電線(以下稱為“位線”)；多個存儲單元，每個存儲單元位于所述字線之一和所述位線之一的交叉區(qū)域；以及讀/寫電路，用于讀/寫包括多個位的數(shù)據(jù)字；該電路可用于將該數(shù)據(jù)字的每對連續(xù)位映射到位于不同字線和不同位線兩者交叉的區(qū)域的相應(yīng)的一對存儲單元。
2.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲陣列，其中通過讀取位bi(i＝1...N)的當(dāng)前值，并且只在該當(dāng)前值與bi的新值不同時執(zhí)行對位bi的寫操作；以及同時執(zhí)行對位bi的有條件的寫操作和對位bi+1的讀操作，該讀/寫電路可用于寫入具有多個連續(xù)位bi的數(shù)據(jù)字。
3.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲陣列，其中數(shù)據(jù)字包括由字存儲器地址所表示的多個連續(xù)位bi(i＝1...N)；所述讀/寫電路可用于將所述字存儲器地址轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的位b1的物理存儲器地址，其中該位b1的物理存儲器地址包括字線號y1和位線號x1，并通過每次增加所述位線號以及改變所述字線號(yi+1≠yi)來為該字中的所述連續(xù)位產(chǎn)生各自的位地址。
4.如權(quán)利要求3所述的非易失性存儲陣列，其中所述讀/寫電路可用于確定yi+1為yi+1＝y(tǒng)1+((x1+i+1)MOD 2)，如果y1是奇數(shù)，以及yi+1＝y(tǒng)1-((x1+i+1)MOD 2)，如果y1是偶數(shù)，這里i＝1...N-1。
5.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲陣列，其中所述讀/寫電路可用于映射一組具有各自連續(xù)地址的多個字，從而對于該組中的每個字Wi和Wk，將字Wi的在順序上的最后一位和字Wk的在順序上的第一位映射到位于不同的字線和不同的位線兩者相交叉的區(qū)域的相應(yīng)的一對存儲單元。
6.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲陣列，其中每個存儲單元包括磁隧道結(jié)。
7.如權(quán)利要求6所述的非易失性存儲陣列，其中每個存儲單元包括與該磁隧道結(jié)串聯(lián)電連接的選擇器件。
8.一種將用于訪問如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲器中的數(shù)據(jù)字的地址轉(zhuǎn)換為存儲器位置的標(biāo)識序列的方法，其中數(shù)據(jù)字包括由字存儲器地址表示的多個連續(xù)位bi(i＝1...N)；該方法包括將所述字存儲器地址轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的位b1的物理存儲器地址，其中該位b1的物理存儲器地址包括字線號y1和位線號x1，并通過改變所述位線號(xi+1≠xi)以及改變所述字線號(yi+1≠yi)來為該字中的所述連續(xù)位產(chǎn)生各自的位地址，這里i＝1...N-1。
9.如權(quán)利要求8所述的轉(zhuǎn)換地址的方法，其中改變所述位線號的所述步驟包括增加所述位線號。
10.如權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換地址的方法，其中改變所述字線號的所述步驟包括將yi+1確定為yi+1＝y(tǒng)1+((x1+i+1)MOD 2)，如果y1是奇數(shù)，以及yi+1＝y(tǒng)1-((x1+i+1)MOD 2)，如果y1是偶數(shù)，這里i＝1...N-1。
全文摘要
非易失性存儲陣列包括由字線WL1，...，WL6和位線BL1，...，BL8所組成的網(wǎng)格。在多個存儲單元210中，每個存儲單元位于一條字線和一條位線的交叉區(qū)域。用于讀/寫包括多個位的數(shù)據(jù)字的讀/寫電路280可用于將數(shù)據(jù)字的每一對連續(xù)位映射到位于不同的字線和不同的位線兩者的交叉區(qū)域的相應(yīng)的一對存儲單元。
文檔編號G11C7/10GK1777956SQ200480007254
公開日2006年5月24日 申請日期2004年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月20日
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