CN1526138A - 磁性储存装置 - Google Patents

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Abstract

本发明系一种可以避免出现老化现象/效应的供储存数据用的磁性储存装置。本发明的磁性储存装置具有一个由沿着第一个方向及与第一个方向垂直相交的第二个方向配置的磁性记忆胞元(5aa至5dd)构成的记忆胞元场、多条沿着第一个方向配置的导线、多条沿着第二个方向配置的导线，其中磁性记忆胞元(5aa至5dd)均位于沿着第一个方向的导线(3)与沿着第二个方向的导线(4)的交会点上、负责为被特别选出的沿着第一个方向配置的导线供电的第一个供电装置(6)、以及负责为被特别选出的沿着第二个方向配置的导线供电的第二个供电装置(7)，其中第二个供电装置(7)会根据要写入的资料调整其供应电流的方向，而第一个供电装置(6)则可以随机切换电流的方向。

Description

磁性储存装置
本发明系一种供储存数据用的磁性储存装置。
磁性随机存取内存(MRAM：magnetic random access memory)是一种供长期储存数据用的非挥发性储存器。
如图式3所示的一种典型磁性储存装置具有一个记忆胞元场，各个记忆胞元均以矩陈方式排列在这个记忆胞元场内。字符线沿着这个记忆胞元场的行或列延伸，位则沿着这个记忆胞元场的栏延伸。负责储存资料的各个记忆胞元均位于字符线与位线的交会点上。
磁性记忆胞元的两个铁磁层之间通常是由一个非磁性层隔开。其中在一个铁磁层(称为”硬磁层”)内的磁场方向是固定不变的，而在另外一个铁磁层(称为”软磁层”)内的磁场方向则可以调整成平行或成反向平行。在储存资料时，这两个稳定的磁场方向(平行及反向平行)分别代表逻辑值”0”及”1”。
只要对在一个特别选出的记忆胞元上相交的一条字符线及一条位线通入电流，就可以改变这个特别选出的记忆胞元场的软磁层内的磁场方向。当电流在字符线和位线内产生的磁场被合并在一起，就可以将这个特别选出的记忆胞元场的软磁层内的磁化方向由平行改变成反向平行，或是由反向平行改变成平行。有一个不足以改变软磁层内的磁化方向的磁场会作用在沿着在这个特别选出的记忆胞元上相交的字符线及位线上的所有其它记忆胞元上。
在一般的记忆胞元中，流经字符线的电流始终维持固定不变的流动方向，而流经位线的电流则会随着要写入的资料而改变流动的方向。
图式2A及2C显示在典型的数据储存装置中因电流产生的磁场，图式2B及2D则显示在铁磁层内的磁场方向。图式2B及2D中的标号(1)代表硬磁层，标号(2)代表软磁层。
图式2A中流经位线的电流方向相当于逻辑值”0”，而图式2C中流经位线的电流方向则相当于逻辑值”1”。WL代表流经字符线的电流产生的磁场，BL0及BL1则代表流经位线的电流产生的磁场。H0及H1则代表这两个磁场(流经字符线的电流产生的磁场及流经位线的电流产生的磁场)叠加后形成的磁场。
在图式2B中，硬磁层及软磁层内的磁场方向处于平行状态；在图式2D中，硬磁层及软磁层内的磁场方向则处于反向平行状态。
相应于特别选出的记忆胞元的软磁层内的磁场方向，记忆胞元会具有垂直于铁磁层的不同的电阻值。因此经由确定垂直于铁磁层的电阻值即可读出记忆胞元内储存的资料。
磁性记忆胞元的问题是其品质会因为老化而降低。例如有一种不良的效应是，在经过长时间的使用后，不是特别选出的记忆胞元也会因为在字符线接通电流而被切换方向，且在切断电流后也不会回复到初始状态(接通电流前的状态)。另外一种不良的效应是，在将逻辑值”0”写入曾经被多次写入逻辑值”1”的记忆胞元时，记忆胞元所存入的逻辑值却是”1”。其它的不良效应还包括，在经过长时间的使用后，硬磁层的磁化方向可能会改变，导致存入的资料发生错误。
在美国专利US-A-6-111-783提出的一种磁性记忆胞元装置中，写入数据时流经字符线的电流强度大于流经位线的电流强度。这样一方面可以避免不是特别选出的记忆胞元的软磁层内的磁场被切换方向，另一方面还可以降低记忆胞元的耗电量。
本发明的目的是提出一种能够减少上述老化现象的磁性储存装置。
为达到上述目的，本发明提出的磁性储存装置具有一个由沿着第一个方向及与第一个方向垂直相交的第二个方向配置的磁性记忆胞元构成的记忆胞元场、多条沿着第一个方向配置的导线、多条沿着第二个方向配置的导线，其中磁性记忆胞元均位于导线与导线的交会点上、一个负责为被特别选出的沿着第一个方向配置的导线供电的第一个供电装置、一个负责为被特别选出的沿着第二个方向配置的导线供电的第二个供电装置，其中第二个供电装置会根据要写入的资料调整其供应电流的方向，而第一个供电装置则会切换电流的方向。
只要改变流经字符线的电流方向即可避免发生不是被特别选出的记忆胞元被字符线的磁场切换的效应。
通常记忆胞元的软磁层会因为受到流经字符线的电流产生的磁场的影响而从其稳定状态发生偏转，然后再因为受到流经位线的电流产生的磁场的影响而被切换到相反的稳定状态，或是被切换回初始状态。没有位线区(也就是开关板)的记忆胞元虽然会因为受到字符线区的影响而被偏转，但很快又会翻转到原来的初始状态。这个过程经过多次重复后可能会出现有些磁畴无法回复到其初始状态的不良效应。只要经由改变流经字符线的电流方向即可避免发生这种不良效应。
图式1A及1C显示在本发明的磁性储存装置中电流产生的磁场，图式1B及1D则显示铁磁层内的磁场方向。在图式1B及1D中，标号(1)代表硬磁层，标号(2)则代表软磁层。
图式1A中流经位线的电流方向相当于逻辑值”0”，而图式1C中流经位线的电流方向则相当于逻辑值”1”。WL代表流经字符线的电流产生的磁场，BL0及BL1则代表流经位线的电流产生的磁场。H01、H01及H11、H12则代表这两个磁场(流经字符线的电流产生的磁场及流经位线的电流产生的磁场)叠加后形成的磁场。
不论流经字符线的电流是流向那一个方向，也不论在这个层面上与其相应的磁场是什么方向，在图式1B中两个铁磁层内的磁场都会处于一个平行状态，而在图式1D中的两个铁磁层内的磁场都会处于一个反向平行状态。
说得更精确一些，本发明的磁性储存装置可以经由传统方式将一个电流存入位线，这个电流的方向完全由要写入的资料决定，而流经字符线的电流方向则可以被随机切换(也就是说电流方向的切换与要写入的资料无关)。
经由切换流经字符线的电流方向可以避免发生硬磁层的磁性化方向改变的不良效应。
一个可以确定的普遍性原则是，经由提高操作条件的各向同性程度有助于减少记忆胞元的状态受到其使用历史影响的老化现象的出现。
本发明的另外一个优点是，经由随机初换流经字符线的电流方向可以避免发生电迁移效应，这对于避免因受到电流影响而发生在铝印刷导线上的材料转移效应尤为有利。造成材料转移的物理原因是流动中的电子与晶格的金属阳离子产生碰撞。材料转移的方向总是与电子流的方向相同而与电流的方向相反。由于在本发明的磁性储存装置中，电流的方向会经常改变，因此可以避免发生可能导致印刷导线中断的材料转移现象。
如果将本发明的概念进一步推广可以将多层记忆胞元堆栈在一起。在这种记忆胞元堆栈中，一条朝第一个方向延伸的导线设置在第一个记忆胞元下方，另外一条朝第二个方向延伸的导线则设置在第一个记忆胞元上方。然后在这条朝第二个方向延伸的导线上方设置第二个记忆胞元，而第二个记忆胞元上方再设置一条朝第一个方向延伸的导线。位于这两层磁性记忆胞元之间的导线与负责切换电流方向供电装置连接。因此位于中间的导线可以负起激活位于其上方的记忆胞元层及/或位于其下方的记忆胞元层的功能。
图式1A及1C：显示在本发明的磁性储存装置中因电流产生的磁场。
图式1B及1D：显示铁磁层内相应的磁场方向。
图式2A及2C：显示在以现有技术制造的磁性储存装置中因电流产生的磁场。
图式2B及2D：显示铁磁层内相应的磁场方向。
图式3：显示一种磁性储存装置的构造示意图。
图式4A：显示第一个供电装置的第一种可行的构造方式。
图式4B：显示第一个供电装置的第二种可行的构造方式。
图式5：显示本发明的一种由两层记忆胞元堆栈在一起构成的构造方式。
图式3的磁性储存装置具有16个记忆胞元、4条字符线、以及4条位线。实际上磁性储存装置具有的记忆胞元数通常远大于此，例如可具有多达数万个记忆胞元。磁性储存装置具有的字符线数不一定要等于位线数。
标号(3a至3d)均代表字符线，标号(4a至4d)则代表位线。在每一条字符线及每一条位线的交会点上都有一个记忆胞元(5aa至5dd)。字符线所需的电流由第一个供电装置(6)负责供应，位线所需的电流则由第二个供电装置(7)负责供应。
将资料写入一个特别选出的记忆胞元(例如5ba)的过程是首先是有一电流流经字符线(3b)，此电流会产生一特定的磁场，接着是也有一电流流经位线(4a)，此电流同样也会产生一特定的磁场。由于这个磁场的方向及即电流的方向均相应于要写入的资料，因此记忆胞元(5ba)的自由磁层会相应于要写入的资料被切换回初始状态或是被切换到与初始状态相反的状态。
当电流被切断，沿着字位(3a)及位线(4a)的所有其它记忆胞元(也就是记忆胞元5ba以外的记忆胞元)都会回复到初始状态。相反的，特别选出的记忆胞元(5ba)内软磁层的磁化方向仍然会保持在调整过后的状态。特别选出的记忆胞元(5ba)就是以这种方式将被写入的资料储存下来。如果想要知道特别选出的记忆胞元(5ba)储存的资料，只要经由确定垂直于铁磁层的电阻值即可将特别选出的记忆胞元(5ba)储存的资读出。
在本发明的磁性储存装置中，第一个供电装置可以随机切换流经字符线的电流方向。第一个供电装置具有一个计数器(61)，这个计数器(61)会记录每一条字符线被存取的次数，并在到达某一特定的存取次数后切换电流的方向。例如可以规定在某一条特定的字符线每被存取一次或两次后就切换一次电流的方向。
另用上述方式就可以达到避免记忆胞元出现老化现象的目的，尤其是位于字符线或位线上的没有被特别选出的记忆胞元在被电流流过及切断电流后又会回复到原来的初始状态。
图式4A及4B显示第一个供电装置(6)的两种可行的构造方式，其中标号(3)代表任意一条字符线。
按照本发明的方式，第一个供电装置的一种可行的构造方式是：第一个供电装置(6)为沿着第一个方向的每一条导线均设有两个换流器(8，9)，其中字符线(3)系设置在这两个换流器(8，9)的出口端之间，第一个供电装置(6)还具有一个控制装置(14)，这个控制装置(14)的作用是按照所要的电流方向将逻辑值”1”或逻辑值”0”输入两个换流器(8，9)的输入端。举例而言，如果在换流器(8)的输入端(A)的逻辑值是”1”，在换流器(9)的输入端(B)的逻辑值是”0”，则有一从换流器(9)流向换流器(8)的电流(I2)。反之，如果在换流器(8)的输入端(A)的逻辑值是”0”，在换流器(9)的输入端(B)的逻辑值是”1”则是有一从换流器(8)流向换流器(9)的电流(I1)。如果在换流器(8)的输入端(A)及换流器(9)的输入端(B)具有相同的逻辑值(不论是”1”或”0”)，则不会有任何电流，也就是说这条字符线并未被特别选出。在静止状态(待命状态)下有一较低或较高的电平。供电装置的作用方式可整理如下：
    A      B        电流
    1      0        I2
    0      1        I1
    1      1        待命”0”
    0      0        待命”1”
经由上述方式即可依据控制装置输入两个换流器的电压电平切换在字符线内流动的电流方向。
第一个供电装置(6)的另外一种可行的构造方式是：第一个供电装置(6)为每一条导线均设有两个电压源(10，11)、两个选择晶体管(12，13)、以及一个控制装置(15)。例如可以用两个n信道MOSFET作为选择晶体管(12，13)，这种晶体管可以按照需求向字符线提供一适当的电流，并搭配一个电流限制器。控制装置(15)可以使第一个电压源(10)提供一较高的电压以及使第二个电压源(11)提供一较低的电压，或是反过来使第一个电压源(10)提供一较低的电压讯号以及使第二个电压源(11)提供一较高的电压，控制装置(15)也可以将两个选择晶体管(12，13)在
”接通”及”未接通”的状态间作一切换。
根据两个电压源(10，11)输出的电压电平(D)及/或电压电平(E)即可改变在字符线内流动的电流方向。
如果电压源(10)产生电压(D)高于而电压源(11)产生的电压(E)，则会产生一个从电压源(10)流到电压源(11)的电流方向(I1)，这样两个选择晶体管(12，13)就会被讯号(C)切换至”接通”状态。选择晶体管(12，13)的被控制路径一方面与电压源(10，11)连接，另一方面则与字符线(3)连接。选择晶体管(12，13)的栅极导线会受到一个控制(C)的控制，这个控制讯号(C)可以将选择晶体管(12，13)在”接通”及
”未接通”的状态间切换。如果电压源(10)产生的电压(D)低于电压源(11)产生的电压(E)，则会产生一个从电压源(11)流到电压源(10)的电流方向(I2)。如果两个选择晶体管(12，13)都被切换至”未接通”状态，就不会有任何电流，表示这条字符线并未被特别选出。图式4B的电路作用方式可整理如下：
    C    D      E      电流
    1    1’           0      I1
    1    0      1’           I2
举例而言，逻辑电平”1”的电压是3伏特，逻辑电平”0”的电压是0伏特，逻辑电平”1的电压是1.8伏特，而图式4B中的两个选择晶体管(12，13)都是n信道场效应晶体管。因此在逻辑值”1”时，讯号(C)的电压必须高于第一个电压源提供的电压(D)或第二个电压源提供的电压(E)。
图式3中的计数器(61)会在达到一事先设定的存取次数后切换一条作用字符线内的电流方向。每进行一次存取动作计数器的读数都会跟着改变(例如读数增加)，而图式4A中换流器的输入端(A，B)的逻辑值或图式4B中的电压(D，E)的高低关系则会跟着计数器的读数而改变。
图式5显示本发明的进一步的构造方式，这种构造方式具有两层记忆胞元(51，52)。位于下方的记忆胞元(51)系设置在位线(53)及字符线(54)之间。位线(53)的方向系垂直于图面的方向(第一个方向)。字符线(54)的方向(第二个方向)垂直于位线(53)的方向，也就是平行于图面的方向。记忆胞元字符线(52)设置在字符线(54)上方。记忆胞元(52)上方还有一条朝向第二个方向(也就是垂直于图面方向)的位线(55)。位于中间的导线就是发生电流方向改变的字符线(54)。字符线(54)与供电装置(6)连接，以便能够按照前面说明的本发明的方式切换电流的方向。
组件符号说明：
1            硬磁层
2            软磁层
3            字符线
3a至3d       字符线
4a至4d       位线
5aa至5dd     磁性记忆胞元
6            第一个供电装置
61           计数器
7            第二个供电装置
8，9         换流器
10，11       电压源
12，13       选择晶体管
14，15       控制装置
A，B，C      控制讯号
D，E         电压

Claims (7)

1.一种磁性储存装置，具有
--一个由沿着第一个方向及与第一个方向垂直相交的第二个方向配置的磁性记忆胞元(5aa至5dd)构成的记忆胞元场；
--多条沿着第一个方向配置的导线(3a至3d)
--多条沿着第二个方向配置的导线(4a至4d)，其中磁性记忆胞元(5aa至5dd)均位于导线与导线的交会点上；
--第一个供电装置(6)，负责为被特别选出的沿着第一个方向配置的导线供电；
--第二个供电装置(7)，负责为被特别选出的沿着第二个方向配置的导线供电，其中第二个供电装置(7)会根据要写入的资料调整其供应电流的方向；
本发明之磁性储存装置的特征为：第一个供电装置(6)会随机切换电流的方向。
2.如申请专利范围第1项的磁性储存装置，其特征为：第一个供电装置(6)具有一个计数器(61)，这个计数器(61)会记录一条在第一个方向的导线(3a至3d)被存取的次数，并在这条导线达到一事先设定的存取次数后切换下一次存取时的电流方向。
3.如申请专利范围第1或第2项的磁性储存装置，其特征为：第一个供电装置(6)为沿着第一个方向的每一条导线(3a至3b)均设有两个换流器(8，9)，其中字符线系设置在这两个换流器(8，9)的出口端之间，第一个供电装置(6)还具有一个控制装置(14)，这个控制装置(14)的作用是按照所要的电流方向将两种逻辑电平中的一种输入两个换流器(8，9)的输入端。
4.如申请专利范围第1或第2项的磁性储存装置，其特征为：第一个供电装置(6)为沿着第一个方向的每一条导线(3a至3b)均设有第一个电压源(10)、第二个电压源(11)、至少两个选择晶体管(12，13)、以及一个控制装置(15)，这个控制装置(15)会使第一个电压源(10)在选择晶体管(12，13)的受控制路径上产生一个较高的电压讯号(D)以及使第二个电压源(11)在选择晶体管(12，13)的受控制路径上产生一个较低的电压讯号(E)，或是会使第一个电压源(10)在选择晶体管(12，13)的受控制路径上产生一个较低的电压讯号(D)以及使第二个电压源(11)在选择晶体管(12，13)的受控制路径上产生一个较高的电压讯号(E)。
5.如申请专利范围第4项的磁性储存装置，其特征为：一条字符线(3)与连接选择晶体管(12，13)的被控制路径连接。
6.如申请专利范围第1--4项中任一项的磁性储存装置，其特征为：每一个磁性记忆胞元(51)都是设置在沿着第一个方向的许多条导线(53)中的一条导线及沿着第二个方向的许多条导线(54)中的一条导线之间，另外一个记忆胞元(52)则是设置在一条沿着第二个方向的导线(54)上方，且在另外一个记忆胞元(52)的上方设有另外一条导线(55)。
7.如申请专利范围第6项的磁性储存装置，其特征为：另外一条导线(55)系沿着第一个方向前进。
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