DE102004060710B4

DE102004060710B4 - Speicherzellenfolgen

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Publication number: DE102004060710B4
Application number: DE102004060710A
Authority: DE
Inventors: Kenneth K. Smith; Corbin L. Champion; Stewart R. Wyatt; Frederick A. Perner
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: KR20060043086A; DE102004060710A1; US6958933B2; US20050007816A1; KR101136038B1

Abstract

Datenspeichervorrichtung (8) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Speicherzellenfolge (12), die zumindest eine erste Magnet-Direktzugriffsspeicher-(MRAM-)Zelle (70a, 70b) umfasst, die mit einer zweiten MRAM-Zelle (70c, 70d) gekoppelt ist, wobei die erste und die zweite MRAM-Zelle jeweils eine Datenschicht (900), eine Weichreferenzschicht (902) und eine Tunnelbarriere (901), die die Datenschicht (900) und die Weichreferenzschicht (902) trennt, aufweist, und wobei ohne Anlegen eines Schreibstroms eine Magnetkopplung von der Datenschicht (900) zu der Weichreferenzschicht (902) bewirkt, dass sich die Magnetisierungsrichtung der Weichreferenzschicht (902) antiparallel zu der der Datenschicht (900) einstellt; und einer Schaltung (26), die mit einem Knoten zwischen der ersten MRAM-Zelle und der zweiten MRAM-Zelle gekoppelt ist, wobei die Schaltung konfiguriert ist, um eine Spannungsveränderung an dem Knoten ansprechend darauf, dass eine Spannung an die Speicherzellenfolge geliefert wird, und ansprechend darauf, dass ein Schreiberfassungsstrom über die erste MRAM-Zelle angelegt wird, zu erfassen, wobei der Schreiberfassungstrom ein Strom mit einer Größe ist,...

Description

Ein Magnet-Direktzugriffsspeicher („MRAM”) ist ein nichtflüchtiger Speicher, der zur Langzeitdatenspeicherung geeignet sein kann. MRAM-Vorrichtungen können Lese- und Schreiboperationen schneller als herkömmliche Langzeitspeichervorrichtungen, wie z. B. Festplattenlaufwerke, durchführen. Zusätzlich können MRAM-Vorrichtungen kompakter sein und verbrauchen unter Umständen weniger Leistung als herkömmliche Speichervorrichtungen.
Eine typische MRAM-Vorrichtung kann ein Array von Speicherzellen umfassen, bei dem sich Wortleitungen entlang Zeilen der Speicherzellen erstrecken und Bitleitungen entlang Spalten der Speicherzellen erstrecken. Jede Speicherzelle kann sich an einem Kreuzungspunkt einer Wortleitung und einer Bitleitung befinden.
Eine Speicherzelle in einer MRAM-Vorrichtung speichert ein Bit Informationen gemäß einer Ausrichtung einer Magnetisierung. Die Magnetisierung einer Speicherzelle nimmt zu einer bestimmten Zeit eine von zwei stabilen Ausrichtungen an. Diese beiden Ausrichtungen sind als parallel und antiparallel bekannt und stellen Logikpegelwerte von „0” bzw. „1” dar.
Die Magnetisierungsausrichtung beeinflusst den Widerstandswert einer Speicherzelle, wie z. B. einer spin-abhängigen Tunnelübergangsvorrichtung. Der Widerstandswert einer Speicherzelle ist z. B. ein erster Wert R, wenn die Magnetisierungsausrichtung parallel ist, wobei der Widerstandswert der Speicherzelle auf einen zweiten Wert (R + ΔR) erhöht wird, wenn die Magnetisierungsausrichtung von parallel zu antiparallel verändert wird. Die Magnetisierungsausrichtung einer ausgewählten Speicherzelle und deshalb der Logikzustand der Speicherzelle können durch ein Bestimmen des Widerstandszustands der ausgewählten Speicherzelle gelesen werden.
Eine der Herausforderungen bei MRAM-Vorrichtungen beinhaltet ein elektrisches Trennen der Schaltungen, die die Speicherzellen aufweisen, während ein ausreichender Pegel an Packdichte beibehalten wird. Obwohl zusätzliche Komponenten, wie z. B. Transistoren, verwendet werden können, um die Trennung von Speicherzellen zu erhöhen, resultiert eine Erhöhung der Anzahl von Komponenten üblicherweise in einem Rückgang der Packdichte der Speicherzellen, d. h. der Anzahl von Speicherzellen pro gegebener Fläche, wobei ein Rückgang der Packdichte im allgemeinen zu erhöhten Kosten führt. Es wäre wünschenswert, in der Lage zu sein, Packdichten zu erhöhen, während die elektrische Trennung von Speicherzellen erhöht wird.
Aus der US 6,577,529 B1 ist es bekannt, bei einem MRAM zwei Speicherzellen in Serie zu schalten.
Aus der DE 199 47 118 C1 ist ein selbstreferenzierendes Ausleseverfahren für eine Speicherzelle bekannt.
Aus der Druckschrift DE 10 2004 011 425 A1 , die Stand der Technik gemäß §3 Abs. 2 PatG ist, ist eine Datenspeichervorrichtung, welche eine Speicherzellenfolge umfasst, bekannt. Die Speicherzellenfolge umfasst eine erste Speicherzelle und eine zweite Speicherzelle. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Schaltung, die mit einem Knoten zwischen der ersten Speicherzelle und einer zweiten Speicherzelle gekoppelt ist. Die Schaltung ist konfiguriert, um eine Spannungsänderung an dem Knoten, ansprechend darauf, dass eine Spannung an die Speicherzellenfolge geliefert wird und darauf, dass die erste Speicherzelle in einem ersten Zustand beschrieben wird, zu erfassen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Datenspeichervorrichtung, ein Verfahren oder ein System (aus zusammenwirkenden Vorrichtungskomponenten) mit verbesserten Charakteristika zu schaffen, bei welchen das Auslesen der einzelnen Speicherzellen dahingehend verbessert wird, dass es neben der aus dem Stand der Technik bekannten Selbstreferenzierung (siehe z.B. DE 199 47 118 C1 ) keine aufwändigen Konstantstromquellen zum Erzeugen eines definierten Auslesestroms und auch keine Messeinrichtungen zum Messen von Strömen benötigt und daher ein vereinfachtes Auslesen der Speicherzellen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Datenspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 12 oder ein System gemäß Anspruch 18 gelöst.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel liefert die vorliegende Offenbarung eine Datenspeichervorrichtung, die eine erste Speicherzellenfolge, die zumindest eine erste Magnet-Direktzugriffsspeicher-(MRAM-)Zelle umfasst, die mit einer zweiten MRAM-Zelle gekoppelt ist, und eine Schaltung aufweist, die mit einern Knoten zwischen der ersten MRAM-Zelle und der zweiten MRAM-Zelle gekoppelt ist. Die Schaltung ist konfiguriert, um eine Spannungsveränderung an dem Knoten ansprechend darauf, dass eine Spannung an die Speicherzellenfolge geliefert wird, und ansprechend darauf, dass ein Schreiberfassungsstrom über die erste MRAM-Zelle angelegt wird, zu erfassen.
Exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei die Elemente der Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander sind, und wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende ähnliche Teile bezeichnen. Es zeigen:
1 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Datenspeichervorrichtung darstellt, die Speicherzellenfolgen umfasst;
2a ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer parallelen Magnetisierungsausrichtung einer MRAM-Speicherzelle darstellt;
2b ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer antiparallelen Magnetisierungsausrichtung einer MRAM-Speicherzelle darstellt;
3 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines ersten Systems zum Lesen einer Speicherzelle in einer Speicherzellenfolge darstellt;
4 ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines ersten Verfahrens zum Lesen einer Speicherzelle in einer Speicherzellenfolge darstellt;
5 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Systems zum Lesen einer Speicherzelle in einer Speicherzellenfolge darstellt;
6 ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Verfahrens zum Lesen einer Speicherzelle in einer Speicherzellenfolge darstellt;
7 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer MRAM-Vorrichtung darstellt, die mehrere Ebenen umfasst;
8 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Systems darstellt, das eine oder mehrere MRAM-Vorrichtungen umfasst;
9a ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer MRAM-Speicherzelle in einem ersten Zustand darstellt;
9b ein erstes Diagramm, das ein Anlegen eines Schreiberfassungsstroms an die in 9a gezeigte MRAM-Speicherzelle darstellt;
9c ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer MRAM-Speicherzelle in einem zweiten Zustand darstellt;
9d ein erstes Diagramm, das ein Anlegen eines Schreiberfassungsstroms an die in 9c gezeigte MRAM-Speicherzelle darstellt;
10 ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines dritten Verfahrens zum Lesen einer Speicherzelle in einer Speicherzellenfolge darstellt; und
11 ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines vierten Verfahrens zum Lesen einer Speicherzelle in einer Speicherzellenfolge darstellt.
Es wird voranstellend bemerkt, dass die mit 2a, 2b, 4 und 6 beschriebenen Ausführungsformen nicht unter den Schutzumfang der Ansprüche fallen, aber der Erläuterung der beanspruchten Erfindung dienen.
Wie in den Figuren zu Darstellungszwecken gezeigt ist, ist die vorliegende Erfindung in einer MRAM-Vorrichtung ausgeführt. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die MRAM-Vorrichtung ein Array von Speicherzellen und einen Schaltungsaufbau zum zuverlässigen Erfassen von Widerstandszuständen der Speicherzellen. Das Array von Speicherzellen ist in Speicherzellenfolgen unterteilt, wie hierin beschrieben wird. Um eine Speicherzelle in einer Speicherellenfolge zu lesen, wird die Ausgabe einer Spannungsteilerschaltung bestimmt, bevor und nachdem die Speicherzelle unter Verwendung einer Spannung in einen ersten Zustand geschrieben wird. Wenn die Spannungsteilerausgabe sich nach einem Schreiben der Speicherzelle in den ersten Zustand nicht verändert, war die Speicherzelle vor dem Schreiben in den ersten Zustand in dem ersten Zustand. Wenn die Spannungsteilerausgabe sich nach dem Schreiben der Speicherzelle in den ersten Zustand verändert, war die Speicherzelle vor einem Schreiben in den ersten Zustand in einem zweiten Zustand. In diesem Fall, wird die Speicherzelle in den zweiten Zustand rückgeschrieben.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die MRAM-Vorrichtung ein Array von Speicherzellen und einen Schaltungsaufbau zum zuverlässigen Erfassen von Widerstandszuständen der Speicherzellen. Das Array von Speicherzellen ist in Speicherzellenfolgen unterteilt, wie hierin beschrieben wird. Um eine Speicherzelle in einer Speicherzellenfolge zu lesen, wird die Ausgabe einer Spannungsteilerschaltung bestimmt, bevor und nachdem ein Schreiberfassungsstrom, wie hierin im Folgenden beschrieben wird, über die Speicherzelle angelegt wird. Wenn die Spannungsteilerausgabe sich nicht verändert, nachdem der Schreiberfassungsstrom angelegt wurde, befindet sich die Speicherzelle in einem ersten Zustand. Wenn sich die Spannungsteilerausgabe verändert, nachdem der Schreiberfassungsstrom angelegt wurde, befindet sich die Speicherzelle in einem zweiten Zustand.
Im folgenden wird Bezug auf 1 genommen, die ein Ausführungsbeispiel einer MRAM-Vorrichtung 8 darstellt, die ein Array 10 von Speicherzellenfolgen 12 umfasst. Jede Speicherzellenfolge umfasst eine Mehrzahl von Speicherzellen, wie in den Ausführungsbeispielen der 3 und 5 gezeigt ist. Die Speicherzellenfolgen 12 sind in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei die Zeilen sich entlang einer x-Richtung erstrecken und die Spalten sich entlang einer y-Richtung erstrecken. Nur eine relativ kleine Anzahl von Speicherzellenfolgen 12 ist gezeigt, um die Beschreibung der Erfindung zu vereinfachen. In der Praxis können Arrays jeder Größe mit jeder Anzahl von Speicherzellenfolgen verwendet werden. Die Speicherzellenfolgen können jeweils jede Anzahl von Speicherzellen größer oder gleich zwei umfassen.
Leiterbahnen, die als Wortleitungen 14 fungieren, erstrecken sich entlang der x-Richtung in einer Ebene auf einer Seite des Speicherzellarrays 10. Die Wortleitungen 14, die in 1 gezeigt sind, stellen eine Wortleitung für jede Speicherzelle in den Speicherzellenfolgen 12 dar. Leiterbahnen, die als Bitleitungen 16 fungieren, erstrecken sich entlang der y-Richtung in einer Ebene auf einer gegenüberliegenden Seite des Speicherzellarrays 10. Jede Speicherzelle in den Speicherzellenfolgen 12 befindet sich an einem Kreuzungspunkt einer entsprechenden Wortleitung 14 und Bitleitung 16.
Die Speicherzellen sind auf keinen bestimmten Typ von Vorrichtung eingeschränkt. Die Speicherzellen können zum Beispiel Spin-abhängige Tunnel-(„SDT”-)Übergangsvorrichtungen sein.
Bezug nehmend auf die 2a und 2b umfasst eine typische SDT-Übergangsvorrichtung eine fixierte Schicht 52, die eine Magnetisierung aufweist, die in einer Ebene der fixierten Schicht 52 ausgerichtet ist, jedoch fest ist, um sich bei Vorliegen eines angelegten Magnetfeldes in einem Bereich von Interesse nicht zu drehen. Die SDT-Übergangsvorrichtung umfasst außerdem eine „freie” Schicht 50, die eine Magnetisierungsausrichtung aufweist, die nicht fixiert ist. Vielmehr kann die Magnetisierung in einer von zwei Richtungen entlang einer Achse (der „Vorzugs”-Achse), die in der Ebene der freien Schicht 50 liegt, ausgerichtet sein. Wenn die Magnetisierung der freien und der fixierten Schicht 50 und 52 in der gleichen Richtung ist, spricht man von einer „parallelen” Ausrichtung (wie in 2a durch die Pfeile angezeigt ist). Wenn die Magnetisierung der freien und der fixierten Schicht 50 und 52 in entgegengesetzten Richtungen ist, spricht man von einer „antiparallelen” Ausrichtung (wie in 2b durch die Pfeile angezeigt ist). Die Magnetisierung in der freien Schicht 50 kann durch ein Anlegen von Schreibströmen an Wort- und Bitleitungen 14 und 16, die die Speicherzelle kreuzen, ausgerichtet werden.
Die freie und die fixierte Schicht 50 und 52 sind durch eine Isolierungstunnelbarriere 51 getrennt. Die Isolierungstunnelbarriere 51 erlaubt eine quantenmechanische Tunnelbildung zwischen der freien und der fixierten Schicht 50 und 52. Dieses Tunnelbildungsphänomen ist elektronenspinabhängig, was den Widerstandswert der SDT-Übergangsvorrichtung 12 zu einer Funktion der relativen Ausrichtungen der Magnetisierung der freien und der fixierten Schicht 50 und 52 macht. Der Widerstandswert der SDT-Übergangsvorrichtung ist z. B. ein erster Wert R, wenn die Ausrichtung der Magnetisierung der freien und der fixierten Schicht 50 und 52 parallel ist, und ein zweiter Wert (R + ΔR), wenn die Ausrichtung der Magnetisierung antiparallel ist.
Bezug nehmend auf 1 umfasst die MRAM-Vorrichtung 8 außerdem eine Zeilendecodierschaltung 18. Während Schreiboperationen legt die Zeilendecodierschaltung 18 einen Schreibstrom an eine ausgewählte Wortleitung 14 an, um zu bewirken, dass eine Speicherzelle in einen erwünschten Zustand geschrieben wird. Während Leseoperationen legt die Zeilendecodierschaltung 18 einen Schreibstrom an eine ausgewählte Wortleitung 14 an, um zu bewirken, dass eine Speicherzelle in einen bekannten Zustand geschrieben wird, und kann einen Schreibstrom an die ausgewählte Wortleitung 14 anlegen, um zu bewirken, dass die Speicherzelle in einen vorherigen Zustand geschrieben wird. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, das unten Bezug nehmend auf die 9a bis 9d, 10 und 11 beschrieben ist, legt die Zeilendecodierschaltung 18 während Leseoperationen einen Schreiberfassungsstrom an eine ausgewählte Wortleitung 14 an, um zu bewirken, dass eine Referenzschicht einer Speicherzelle in einen bekannten Zustand gesetzt wird.
Die MRAM-Vorrichtung 8 umfasst ferner eine Spaltendecodierschaltung 20. Während Schreiboperationen legt die Spaltendecodierschaltung 20 einen Schreibstrom an ausgewählte Bitleitungen 16 an. Während Leseoperationen wählt die Spaltendecodierschaltung 20 eine Speicherzellenfolge 12 aus und verbindet die Speicherzellenfolge 12 unter Verwendung einer Lenkschaltung 24 mit einer Erfassungsschaltung 26. Und während Leseoperationen legt die Spaltendecodierschaltung 20 einen Schreibstrom an eine ausgewählte Spaltenleitung 16 an, um zu bewirken, dass eine Speicherzelle in einen bekannten Zustand geschrieben wird, und kann einen Schreibestrom an die ausgewählte Spaltenleitung 16 anlegen, um zu bewirken, dass die Speicherzelle in einen vorherigen Zustand geschrieben wird. Bei dem unten Bezug nehmend auf die 9a bis 9d, 10 und 11 beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Spaltendecodierschaltung 20 während Leseoperationen auch einen Schreiberfassungsstrom an die ausgewählten Bitleitungen 16 anlegen.
Die MRAM-Vorrichtung 8 umfasst ferner eine Leseschaltung 22 zum Erfassen des Widerstandswerts ausgewählter Speicherzellen während Leseoperationen und eine Schreibschaltung (nicht gezeigt) zum Ausrichten der Magnetisierung ausgewählter Speicherzellen während Schreiboperationen.
Die Leseschaltung 22 umfasst eine Mehrzahl von Lenkschaltungen 24 und Leseverstärkern 26. Mehrere Bitleitungen 16 sind mit jeder Lenkschaltung 24 verbunden. Jede Lenkschaltung 24 umfasst einen Satz von Schaltern, die eine Schreibstromversorgung mit einer ausgewählten Bitleitung 16 verbinden und eine ausgewählte Speicherzellenfolge 12 mit einem Leseverstärker 26 verbinden. Eine Ausgabe des Leseverstärkers 26 wird an ein Datenregister 30 geliefert, das wiederum mit einer I/O-Anschlussfläche 32 der MRAM-Vorrichtung 8 gekoppelt ist. Wenn die MRAM-Vorrichtung 8 mehrere Ebenen von Speicherzellarrays (siehe z. B. 7) aufweist, können Bitleitungen 16 und Speicherzellenfolgen 12 aus den zusätzlichen Ebenen in die Leseverstärker 26 multiplexiert werden.
Eine Steuerschaltung 34 liefert Steuersignale, wie z. B. Zeitgebungssignale, an die Zeilendecodierschaltung 18, die Spaltendecodierschaltung 20 und die Leseschaltung 22.
3 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Systems 60 zum Lesen einer Speicherzelle 70 in einer Speicherzellenfolge 12 dar. Das System 60 umfasst ein Ausführungsbeispiel einer Speicherzellenfolge 12 und ein Ausführungsbeispiel eines Leseverstärkers 26. Die Speicherzellenfolge 12 ist mit einem Transistor 72 gekoppelt, der Transistor ist mit einer Bitleitung 16 und einer Lenkschaltung 24 gekoppelt und die Lenkschaltung 24 ist mit der Bitleitung 16 und einem Leseverstärker 26 gekoppelt.
Die Speicherzellenfolge 12 umfasst Speicherzellen 70a, 70b, 70c und 70d, dargestellt durch Widerstände, die in Serie geschaltet sind. Wortleitungen 14a, 14b, 14c und 14d werden verwendet, um die Speicherzellen 70a, 70b, 70c bzw. 70d in Verbindung mit der Bitleitung 16 zu beschreiben. Eine Spannungsquelle, V_CC, ist mit einem Ende der Speicherzellenfolge 12 gekoppelt und das andere Ende der Speicherzellenfolge 12 ist mit einer Massequelle gekoppelt. Der Wert von V_CC kann gleich der Lese- bzw. Erfassungsspannung mal der Anzahl von Speicherzellen 70 in der Speicherzellenfolge 12 gesetzt werden. Wenn die Lesespannung 0,5 ist, kann V_CC für das Ausführungsbeispiel aus 3 z. B. auf 0,5 V mal 4 oder 2,0 V eingestellt werden. Die Spannung V_CC nicht ausgewählter Speicherzellenfolgen 12 wird auf das Massepotential eingestellt. Die Spannungsquelle liefert eine Spannung über die Speicherzellenfolge 12 ansprechend auf Steuersignale, die von einer Zeilendecodierschaltung 18, einer Spaltendecodierschaltung 20 und/oder einer Steuerschaltung 34 empfangen werden. Insbesondere liefert die Spannungsquelle eine Spannung an die Speicherzellenfolge 12 ansprechend auf eine Leseoperation, um es zu ermöglichen, dass eine oder mehrere der Speicherzellen 70a, 70b, 70c und 70d gelesen werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel aus 3 ist die Gate-Verbindung des Transistors 72 mit dem Knoten zwischen den Speicherzellen 70b und 70c gekoppelt, die Drain-Verbindung des Transistors 72 ist mit einer Spannungsquelle V_DD gekoppelt und die Source-Verbindung des Transistors 72 ist mit der Bitleitung 16 gekoppelt. Die Speicherzellen 70a, 70b, 70c und 70d bilden einen Spannungsteiler und ein Knoten V_G bildet einen Spannungsabgriff in der Speicherzellenfolge 12. Der Transistor 72 wird als ein Source-Folger betrieben, um die an der Gateverbindung vorliegende Spannung V_G der Source-Verbindung ansprechend auf die Spannung V_CC, die an die Speicherzellenfolge 12 angelegt wird, zu zeigen. Folglich bewirkt der Transistor 72, dass die Spannung, die an dem Knoten zwischen den Speicherzellen 70b und 70c vorhanden ist, auf der Bitleitung 16 widergespiegelt wird.
Obwohl dies in 3 nicht gezeigt ist, ist jede Speicherzellenfolge 12 in dem Array 10 mit einem Transistor 72 gekoppelt, der mit einer Bitleitung 16 gekoppelt ist. Jeder Transistor 72 kann sich physisch nahe an der Speicherzellenfolge 12, mit der derselbe gekoppelt ist, befinden. Durch ein Anlegen einer Spannung V_CC an eine ausgewählte Speicherzellenfolge 12, die mit einer Bitleitung 16 gekoppelt ist, bewirkt die Zeilendecodierschaltung 18, dass die Spannung V_G von der ausgewählten Speicherzellenfolge 12 auf die Bitleitung 16 widergespiegelt wird, wie unten detaillierter beschrieben ist. Eine Spannung V_CC wird während der Zeit, zu der die Spannung V_G von der nicht ausgewählten Speicherzellenfolge 12 auf der Bitleitung 16 nicht widergespiegelt wird, nicht an die weiteren Speicherzellenfolgen 12, die mit der Bitleitung 16 gekoppelt sind, angelegt.
Die Lenkschaltung 24 ist mit der Source-Verbindung des Transistors 72 und der Bitleitung 16 gekoppelt. Die Lenkschaltung 24 liefert die reflektierte Spannung aus der ausgewählten Speicherzellenfolge 12 an den Leseverstärker 26.
Der Leseverstärker 26 ist mit der Bitleitung 16, einem Knoten zwischen den Speicherzellen 70b und 70c durch den Widerstand 72 und der Lenkschaltung 26 gekoppelt. Der Leseverstärker 26 umfasst eine Schalterschaltung 74, einen Kondensator 76, einen Differenzverstärker 78 und einen Signalverstärker 80.
Die Schalterschaltung 74 ist konfiguriert, um selektiv die Bitleitung 16 ansprechend auf ein Steuersignal mit einem der Eingänge des Differenzverstärkers 78 zu koppeln. Das Steuersignal bewirkt, dass die Schalterschaltung 74 die Bitleitung 16 mit dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 78 koppelt, um eine erste Spannung V₁ zu einer ersten Zeit zu übertragen. Der Kondensator 76 speichert die erste Spannung für eine eingeschränkte Zeit. Zu einer zweiten Zeit bewirkt das Steuersignal, dass die Schalterschaltung 74 die Bitleitung 16 mit dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 78 koppelt, um eine zweite Spannung V₂ zu übertragen.
Ansprechend auf die erste und die zweite Spannung erzeugt der Differenzverstärker 78 eine Differenzausgangsspannung V_DIFF, die an den Signalverstärker 80 geliefert wird. Der Signalverstärker 80 verstärkt die Differenzausgangsspannung zu einer Logikausgangsspannung V_OUT, die als ein logischer Pegel, d. h. eine „0” oder eine „1”, gespeichert werden kann.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Lesen einer Speicherzelle in dem Ausführungsbeispiel der Speicherzellenfolge 12 aus 3 darstellt. In 4 wird eine Spannung V_CC an die Speicherzellenfolge 12 geliefert, wie in einem Block 402 angezeigt ist. Eine erste Spannung wird an einem Knoten in der Speicherzellenfolge 12 erfasst, wie in einem Block 404 angezeigt ist. Insbesondere bewirken der Transistor 72 und die Schaltschaltung 74, dass die Spannung, die an dem Knoten V_G zwischen den Speicherzellen 70b und 70c zu einem ersten Zeitpunkt vorhanden ist, erfasst und auf dem Kondensator 76 gespeichert wird, wie oben beschrieben ist.
Eine ausgewählte Speicherzelle in der Speicherzellenfolge 12, z. B. die Speicherzelle 70b, wird in einen ersten Zustand geschrieben, wie in einem Block 406 angezeigt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der erste Zustand antiparallel sein, um einen Logikpegel von „1” darzustellen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann der erste Zustand parallel sein, um einen Logikpegel „0” darzustellen.
Eine zweite Spannung wird an einem Knoten in der Speicherzellenfolge 12 erfasst, wie in einem Block 408 angezeigt ist. Insbesondere bewirken der Transistor 72 und die Schaltschaltung 74, dass die Spannung, die an dem Knoten V_G zwischen den Speicherzellen 70b und 70c zu einem zweiten Zeitpunkt vorhanden ist, erfasst wird und an den negativen Eingang des Differenzverstärkers 78 geliefert wird. Die zweite Spannung wird erfasst, nachdem die ausgewählte Speicherzelle, z. B. die Speicherzelle 70b, in den ersten Zustand geschrieben wurde.
Eine Bestimmung wird durch den Leseverstärker 26 durchgeführt, ob sich die erste Spannung von der zweiten Spannung unterscheidet, wie in einem Block 410 angezeigt ist. Die Bestimmung wird unter Verwendung des Differenzverstärkers 78 und des Signalverstärkers 80 durchgeführt. Wenn die erste Spannung sich nicht von der zweiten Spannung unterscheidet, wird ein erster Logikpegel, der dem ersten Zustand zugeordnet ist, aus der ausgewählten Speicherzelle, z. B. der Speicherzelle 70b, ausgelesen, wie in einem Block 412 angezeigt ist. Wenn sich die erste Spannung von der zweiten Spannung unterscheidet, wird ein zweiter Logikpegel, der dem zweiten Zustand zugeordnet ist, auf der ausgewählten Speicherzelle, z. B. der Speicherzelle 70b, ausgelesen, wie in einem Block 414 angezeigt ist. Zusätzlich wird die ausgewählte Speicherzelle, z. B. die Speicherzelle 70b, in den zweiten Zustand geschrieben, wie in einem Block 416 angezeigt ist.
Der Leseverstärker 26 bewirkt, dass der erste oder der zweite Logikpegel aus der ausgewählten Speicherzelle ausgelesen wird, indem bewirkt wird, dass eine „1” oder eine „0” in dem Register 30 gespeichert und an die I/O-Anschlussfläche 32 geliefert wird.
Wie oben angemerkt wurde, bewirken der parallele Zustand und der antiparallele Zustand, dass unterschiedliche Widerstandswerte über eine Speicherzelle gemessen werden. Durch ein Anlegen einer Spannung über die Speicherzellenfolge 12 kann eine Spannung an einem Knoten zwischen Speicherzellen in der Folge erfasst werden, bevor und nachdem eine ausgewählte Speicherzelle in einen bekannten Zustand geschrieben wird. Wenn der bekannte Zustand mit dem vorherigen Zustand der ausgewählten Speicherzelle übereinstimmt, ändert sich der Widerstandswert der Zelle nicht und die Spannung, die an dem Knoten nach dem Schreiben erfasst wird, ist in etwa die gleiche wie die Spannung, die an dem Knoten vor dem Schreiben erfasst wird. Wenn der bekannte Zustand nicht mit dem vorherigen Zustand der ausgewählten Speicherzelle übereinstimmt, verändert sich der Widerstandswert der Zelle und die Spannung, die an dem Knoten nach dem Schreiben erfasst wird, unterscheidet sich von der Spannung, die an dem Knoten vor dem Schreiben erfasst wird. Auf diese Weise fungiert die Speicherzellenfolge 12 wirksam als eine Spannungsteilerschaltung.
Wenn das Schreiben in Block 406 bewirkt hat, dass sich der Zustand der ausgewählten Speicherzelle verändert, wird die Speicherzelle in ihren ursprünglichen Zustand überschrieben, wie durch Block 416 dargestellt ist. Wenn das Schreiben in Block 406 nicht bewirkt hat, dass sich der Zustand der ausgewählten Speicherzelle verändert, bleibt die Speicherzelle in ihrem ursprünglichen Zustand und muss nicht überschrieben werden.
Die Steuerschaltung 34 liefert geeignete Zeitgebungssignale an die Zeilendecodierschaltung 18, die Schreibdecodierschaltung 20, die Leseschaltung 22, die Lenkschaltung 24 und den Leseverstärker 26, um es zu ermöglichen, dass die in 4 gezeigten Funktionen des Verfahrens durchgeführt werden können.
Jede der Speicherzellen 70a, 70b, 70c und 70d kann unter Verwendung des gerade beschriebenen Verfahrens gelesen werden. Obwohl vier Speicherzellen in der Speicherzellenfolge aus 3 gezeigt sind, können andere Speicherzellenfolgen andere Anzahlen von Speicherzellen umfassen, die in Serie geschaltet sind.
Obwohl die Gate-Verbindung des Transistors 72 bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Knoten zwischen den Speicherzellen 70b und 70c gekoppelt ist, kann die Gate-Verbindung bei anderen Ausführungsbeispielen mit einem Knoten zwischen anderen Speicherzellen, wie z. B. dem Knoten zwischen den Speicherzellen 70a und 70b oder dem Knoten zwischen den Speicherzellen 70c und 70d, gekoppelt sein.
Zusätzlich kann die Source-Verbindung des Transistors 72 bei anderen Ausführungsbeispielen mit dem Knoten zwischen den Speicherzellen 70b und 70c gekoppelt sein, die Gate-Verbindung des Transistors 72 kann mit einer Spannungsquelle gekoppelt sein und die Drain-Verbindung des Transistors 72 kann mit der Bitleitung 16 gekoppelt sein. Alternativ kann bei weiteren Ausführungsbeispielen die Drain-Verbindung des Transistors 72 mit dem Knoten zwischen den Speicherzellen 70b und 70c gekoppelt sein, die Gate-Verbindung des Transistors 72 kann mit einer Spannungsquelle gekoppelt sein und die Source-Verbindung des Transistors 72 kann bei weiteren Ausführungsbeispielen mit der Bitleitung 16 gekoppelt sein.
Der Transistor 72 weist einen Spannungsfolgertransistor auf. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann der Transistor 72 ein Bipolartransistor sein und kann in einem oder mehreren dieser Ausführungsbeispiele als ein Emitter-Folger konfiguriert sein.
5 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Systems 90 zum Lesen einer Speicherzelle 70 in einer Speicherzellenfolge 12 dar. Das System 90 umfasst ein Ausführungsbeispiel einer Speicherzellenfolge 12, ein Ausführungsbeispiel eines Leseverstärkers 26 und ein Ausführungsbeispiel eines Registers 30. Die Speicherzellenfolge 12 ist mit einem Transistor 92 gekoppelt, der Transistor 92 ist mit einer Bitleitung 16 und einer Lenkschaltung 24 gekoppelt und die Lenkschaltung 24 ist mit der Bitleitung 16 und dem Leseverstärker 26 gekoppelt.
Die Speicherzellenfolge 12 umfasst Speicherzellen 70a, 70b, 70c und 70d, dargestellt durch Widerstände, die in Serie geschaltet sind. Wortleitungen 14a, 14b, 14c und 14d werden verwendet, um die Speicherzellen 70a, 70b, 70c bzw. 70d in Verbindung mit der Bitleitung 16 zu beschreiben.
Eine Spannungsquelle V_A oder V_B kann selektiv mit einem beliebigen Ende der ausgewählten Speicherzellenfolge 12 gekoppelt sein, wobei eine Massequelle mit dem entgegengesetzten Ende der gekoppelten Spannungsquelle gekoppelt ist. Beide Enden nicht ausgewählter Speicherzellenfolgen 12 sind mit Massequellen gekoppelt. Die Spannungsquelle V_A oder V_B ist mit Bezugnahme auf die zu lesende Speicherzelle ausgewählt. Insbesondere ist V_A mit der Speicherzellenfolge 12 gekoppelt und eine Massequelle ist mit dem anderen Ende der Speicherzellenfolge 12 gekoppelt, um die Speicherzelle 70a oder 70b zu lesen. Ähnlich ist V_B mit der Speicherzellenfolge 12 gekoppelt und eine Massequelle ist mit dem anderen Ende der Speicherzellenfolge 12 gekoppelt, um die Speicherzelle 70c oder 70d zu lesen. Die Spannungsquellen V_A und V_B liefern eine Spannung über die Speicherzellenfolge 12 ansprechend auf Steuersignale, die von der Zeilendecodierschaltung 18, der Spaltendecodierschaltung 20 und/oder der Steuerschaltung 34 empfangen werden. Bei einem Ausführungsbeispiel bewirkt die Spaltendecodierschaltung 20, dass V_A oder V_B an die Speicherzellenfolge 12 geliefert wird, um eine Folge 12 auszuwählen, sowie um es zu ermöglichen, dass eine Leseoperation bei einer Speicherzelle 70 in der Folge 12 durchgeführt werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel aus 5 ist die Gate-Verbindung des Transistors 92 mit dem Knoten zwischen den Speicherzellen 70b und 70c gekoppelt, die Drain-Verbindung des Transistors 92 ist mit einer Spannungsquelle V_DD gekoppelt und die Source-Verbindung des Transistors 92 ist mit der Bitleitung 16 gekoppelt. Der Knoten V_G bildet einen Spannungsabgriff in der Speicherzellenfolge 12. Der Transistor 92 wird als ein Source-Folger betrieben, um der Source-Verbindung die an der Gate-Verbindung vorliegende Spannung V_G ansprechend darauf, dass die Spannung V_DD an die Drain-Verbindung angelegt wird, zu zeigen. Folglich bewirkt der Transistor 92, dass die Spannung, die an dem Knoten V_G zwischen den Speicherzellen 70b und 70c vorliegt, auf der Bitleitung 16 widergespiegelt wird.
Obwohl dies in 5 nicht gezeigt ist, ist jede Speicherzellenfolge 12 in dem Array 10 mit einem Transistor 92 gekoppelt, der mit einer Bitleitung 16 gekoppelt ist. Jeder Transistor 92 kann sich physisch nahe an der Speicherzellenfolge 12 befinden, mit der derselbe gekoppelt ist. Durch ein Anlegen einer Spannung V_A oder V_B an eine ausgewählte Speicherzellenfolge 12, die mit einer Bitleitung 16 gekoppelt ist, bewirkt die Zeilendecodierschaltung 18, dass die Spannung V_G von der ausgewählten Speicherzellenfolge 12 auf der Bitleitung 16 widergespiegelt wird, wie unten detaillierter beschrieben ist. Eine Spannung V_A oder V_B wird während der Zeit, zu der die Spannung V_G aus der nicht ausgewählten Speicherzellenfolge 12 auf der Bitleitung 16 nicht widergespiegelt wird, nicht an die anderen Speicherzellenfolgen 12, die mit der Bitleitung 16 gekoppelt sind, angelegt.
Die Lenkschaltung 24 ist mit der Source-Verbindung des Transistors 92 und der Bitleitung 16 gekoppelt. Die Lenkschaltung 24 liefert die widergespiegelte Spannung von der ausgewählten Speicherzellenfolge 12 an den Leseverstärker 26.
Der Leseverstärker 26 ist mit der Bitleitung 16 und einem Knoten zwischen den Speicherzellen 70b und 70c durch den Transistor 92 und der Lenkschaltung 24 gekoppelt. Der Leseverstärker 26 weist einen getakteten Zweistufen-Eigenreferenz-Verstärker auf und umfasst einen Transistor 92, eine Stromquelle 96, einen Differenzverstärker 100, einen Schalter 102, einen Kondensator 104 und einen Differenzverstärker 106.
Der Kondensator 108 stellt die Last auf der Bitleitung 16 dar, die durch weitere Speicherzellenfolgen 12 bewirkt wird, die mit der Bitleitung 16 gekoppelt sind. Die Stromquelle 96 ist wirksam, um zu entladen oder als die Last auf die Bitleitung 16 zu wirken, um die Geschwindigkeit der Schaltung zu erhöhen.
Die Bitleitung 16 ist durch die Lenkschaltung 24 mit dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 100 gekoppelt. Der Differenzverstärker 100 weist die erste Stufe des Leseverstärkers 26 auf. Der erste Zustand bewirkt, dass der Leseverstärker 26 auf sich selbst Bezug nimmt, indem er Variationen von Spannung, Temperatur, Speicherzellenwiderstandswert und System ausgleicht.
Die Ausgabe des Differenzverstärkers 100 ist mit einem Schalter 102 gekoppelt. Der Schalter 102 ist konfiguriert, um ansprechend darauf, dass derselbe geschlossen wird, die Ausgabe des Differenzverstärkers 100 mit einem Kondensator 104, dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 100 und dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 106 zu koppeln. Wenn der Schalter 102 geschlossen ist, bewirkt derselbe wirksam, dass eine erste Spannung V₁ von der Bitleitung 16 zu einer ersten Zeit über den Kondensator 104 gespeichert wird. Ansprechend darauf, dass der Schalter 102 geöffnet ist, bewirkt derselbe, dass die Ausgabe des Differenzverstärkers 100 nur mit dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 106 gekoppelt wird. Als ein Ergebnis wird zu einer zweiten Zeit die zweite Spannung von der Bitleitung 16, V₂ mit dem Eingang des Differenzverstärkers 106 gekoppelt.
Die Stromquelle 96, der Differenzverstärker 100, der Schalter 102 und der Kondensator 104 arbeiten als eine ladungsausgeglichene Abtast- und Halteschaltung, um eine Referenzspannung für beide Stufen des Leseverstärkers 26 einzustellen.
Der Differenzverstärker 106 weist die zweite Stufe des Leseverstärkers 26 auf. Der Differenzverstärker 106 vergleicht die erste und die zweite Spannung und erzeugt eine Differenzausgangsspannung V_OUT.
Die Differenzausgangsspannung wird an ein Lese-Latch 110 geliefert. Das Lese-Latch 110 wird unter Verwendung der Rücksetz-„R”-Eingabe vor einem Empfangen der Ausgabe von dem Differenzverstärker 106 auf einen hochohmigen Zustand rückgesetzt. Ansprechend auf das Datenübertragungssignal D_XFER wird die Differenzausgangsspannung in einem Lese-Latch 110 als ein Logikpegel, d. h. eine „0” oder eine „1”, gespeichert. Das Lese-Latch 110 verstärkt das Ausgangssignal D_OUT auf ein Vollskala-Ausgangssignal. Das Lese-Latch 110 ist Teil des Registers 30.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Lesen einer ausgewählten Speicherzelle bei dem Ausführungsbeispiel der Speicherzellenfolge 12 aus 5 darstellt. In 6 wird eine Spannungsquelle an ein Ende einer Speicherzellenfolge 12 geliefert, das am entferntesten oder am nächsten an der ausgewählten Speicherzelle in der Speicherzellenfolge ist, wie in einem Block 602 angezeigt ist. Eine Massequelle wird an das andere Ende der Speicherzellenfolge 12 geliefert, wie in einem Block 604 angezeigt ist.
Die Spannungsquelle und die Massequelle sind gekoppelt, um zu bewirken, dass die ausgewählte Speicherzelle am nächsten an der Versorgungsspannung (V_A oder V_B) der Spannungsteilerschaltung ist, die durch die Spannungsquelle, die Massequelle und die Speicherzellen 70a, 70b, 70c und 70d gebildet ist. Folglich ist das Ende der Speicherzellenfolge 12, das sich am unmittelbarsten oder am nächsten an der ausgewählten Speicherzelle 70 befindet, das Ende, das die ausgewählte Speicherzelle zwischen der Spannungsquelle V_A oder V_B und dem Spannungsteiler-Abgriffknoten V_G anordnen würde. Dieses nächste Ende ist mit einer Spannungsquelle V_A oder V_B gekoppelt und das Ende, das entgegengesetzt zu dem nächsten Ende ist, ist mit einer Massequelle gekoppelt. Die Versorgungsspannung V_A oder V_B kann mit V_DD gekoppelt sein.
Wenn z. B. die Speicherzelle 70a oder 70b zum Lesen ausgewählt ist, wird die Spannung V_A über die Speicherzellenfolge 12 angelegt und das Ende der Speicherzellenfolge 12, das durch V_B angezeigt wird, ist mit einer Massequelle gekoppelt. Wenn die Speicherzelle 70c oder 70d gelesen werden soll, wird die Spannung V_B angelegt, wie in 5 angezeigt ist, und das Ende der Speicherzellenfolge 12, angezeigt durch VA, ist mit einer Massequelle gekoppelt.
Durch ein Schalten der Spannungs- und Massequelle basierend auf der relativen Position der ausgewählten Speicherzelle in der Speicherzellenfolge, wie gerade beschrieben wurde, können die Signale, die an den Leseverstärker 26 geliefert werden, bei einer erwünschten Polarität sein, um es zu ermöglichen, dass der Entwurf des Leseverstärkers 26 vereinfacht werden kann.
Eine erste Spannung, die an einem Knoten in der Speicherzellenfolge 12 erfasst wird, wird gespeichert, wie in einem Block 606 angezeigt ist. Insbesondere bewirken der Transistor 92, der Differenzverstärker 100 und der Schalter 102, dass die Spannung, die an dem Knoten V_G zwischen den Speicherzellen 70b und 70c zu einem ersten Zeitpunkt vorhanden ist, erfasst und auf dem Kondensator 104 gespeichert wird, wie oben beschrieben ist. Eine Spannung V_A oder V_B wird an die Speicherzellenfolge 12 angelegt, um eine Spannungsteilerspannung zu entwickeln, die an das Gate des Transistors 92 angelegt werden soll, um zu bewirken, dass eine Lesespannung an den Eingang des Differenzverstärkers 100 übertragen wird. Die Spannung V_A oder V_B kann gleich V_DD sein.
Die ausgewählte Speicherzelle in der Speicherzellenfolge 12, z. B. die Speicherzelle 70b, wird in einen ersten Zustand geschrieben, wie in einem Block 608 angezeigt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der erste Zustand antiparallel sein, um einen Logikpegel „1” darzustellen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann der erste Zustand parallel sein, um einen Logikpegel „0” darzustellen.
Eine zweite Spannung wird an einem Knoten in der Speicherzellenfolge 12 erfasst, wie in einem Block 610 angezeigt ist. Insbesondere bewirken der Transistor 92, der Differenzverstärker 100 und der Schalter 102, dass die Spannung, die an dem Knoten V_G zwischen den Speicherzellen 70b und 70c zu einem zweiten Zeitpunkt vorliegt, erfasst und an den negativen Eingang des Differenzverstärkers 106 geliefert wird. Die zweite Spannung wird erfasst, nachdem die ausgewählte Speicherzelle, z. B. die Speicherzelle 70b, in den ersten Zustand geschrieben wurde.
Eine Bestimmung wird durch den Differenzverstärker 106 durchgeführt, ob sich die erste Spannung von der zweiten Spannung unterscheidet, wie in einem Block 612 angezeigt ist. Wenn sich die erste Spannung nicht von der zweiten Spannung unterscheidet, wird ein erster Logikpegel, der dem ersten Zustand zugeordnet ist, aus der ausgewählten Speicherzelle, z. B. der Speicherzelle 70b, ausgelesen, wie in einem Block 614 angezeigt ist. Wenn sich die erste Spannung von der zweiten Spannung unterscheidet, wird ein zweiter Logikpegel, der dem zweiten Zustand zugeordnet ist, aus der ausgewählten Speicherzelle, z. B. der Speicherzelle 70b, ausgelesen, wie in einem Block 616 angezeigt ist. Zusätzlich wird die ausgewählte Speicherzelle, z. B. die Speicherzelle 70b, in den zweiten Zustand geschrieben, wie in einem Block 618 angezeigt ist.
Der Leseverstärker 26 bewirkt, dass der erste oder der zweite Logikpegel aus der ausgewählten Speicherzelle ausgelesen wird, indem bewirkt wird, dass eine „1” oder eine „0” in einem Lese-Latch 110 in dem Register 30 gespeichert und an die I/O-Anschlussfläche 32 geliefert wird.
Die Speicherzellenfolge 12 fungiert bei dem Ausführungsbeispiel aus 5 wirksam als eine Spannungsteilerschaltung.
Wenn das Schreiben in Block 608 bewirkt hat, dass sich der Zustand der ausgewählten Speicherzelle verändert, wird die Speicherzelle in ihren ursprünglichen Zustand überschrieben, wie durch Block 618 dargestellt ist. Wenn das Schreiben in Block 608 nicht bewirkt hat, dass sich der Zustand der ausgewählten Speicherzelle verändert, bleibt die Speicherzelle in ihrem ursprünglichen Zustand und muss nicht überschrieben werden.
Die Steuerschaltung 34 liefert geeignete Zeitgebungssignale an die Zeilendecodierschaltung 18, die Schreibdecodierschaltung 20, die Leseschaltung 22, die Lenkschaltung 24 und den Leseverstärker 26, um es zu ermöglichen, dass die in 6 gezeigten Funktionen des Verfahrens durchgeführt werden können.
Jede der Speicherzellen 70a, 70b, 70c und 70d kann unter Verwendung des gerade beschriebenen Verfahrens gelesen werden. Obwohl vier Speicherzellen in der in 5 dargestellten Speicherzellenfolge gezeigt sind, können andere Speicherzellenfolgen andere Anzahlen von Speicherzellen, die in Serie geschaltet sind, umfassen.
Obwohl die Gate-Verbindung des Transistors 92 bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Knoten zwischen den Speicherzellen 70b und 70c gekoppelt ist, kann die Gate-Verbindung bei anderen Ausführungsbeispielen mit einem Knoten zwischen anderen Speicherzellen gekoppelt sein, wie z. B. dem Knoten zwischen den Speicherzellen 70a und 70b oder dem Knoten zwischen den Speicherzellen 70c und 70d.
Der Transistor 92 weist einen Spannungsfolgertransistor auf. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann der Transistor 92 ein Bipolartransistor sein und kann bei einem oder mehreren dieser Ausführungsbeispiele als ein Emitter-Folger konfiguriert sein.
Bei bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen der Speicherzellenfolge 12 ist die Anzahl von Speicherelementen in einer Speicherzellenfolge 12 gleich der Lesespannung über eine einzelne Speicherzelle geteilt durch die Versorgungsspannung (V_CC, V_A oder V_B), die aus Gruppen von zwei erhalten wird. Wenn z. B. die Lesespannung 0,5 V ist und die Versorgungsspannung 2,0 V ist, ist die bevorzugte Anzahl von Transistoren in der Folge 4. Wenn jedoch die Lesespannung 0,2 V ist und V_DD 2,0 V ist, ist die bevorzugte Anzahl von Widerständen 10.
Ein Merkmal der Speicherzellenfolge 12 besteht darin, dass die Abgriffspannung V_G nahe an der Versorgungsspannung (V_CC, V_A oder V_B) geteilt durch 2 ist, und zwar unabhängig von dem nominellen Widerstandswert der Speicherzellen. Wenn z. B. V_A = V_DD = 2,0 V gilt und es 4 Widerstände in der Folge gibt, ist V_G etwa 1,0 V, wobei, wenn es 10 Widerstände in der Folge gibt, V_G dennoch etwa 1.0 V beträgt.
Die Versorgungsspannung (V_CC, V_A oder V_B) der Speicherzellenfolge ist ausreichend groß eingestellt, um zu aktivieren, dass die Source-Folger-Transistoren (d. h. die Transistoren 72 oder 92) die Bitleitungen 16 ohne wesentlichen Signalverlust treiben. Wenn die Schwellenspannung (V_TH) eines Source-Folger-Transistors 0,5 V ist und eine Lesespannung von 0,5 V erwünscht wird, gilt V_G = V_TH + V_BL = 0,5 V + 0,5 V = 1,0 V, wobei dies eine Versorgungsspannung der Speicherzellenfolge von 2,0 V vorgibt.
Die Beziehung zwischen der Versorgungsspannung, der Spannung über eine einzelne Speicherzelle, der Anzahl von Speicherzellen in einer Speicherzellenfolge und dem Signal, das durch den Leseverstärker erfasst wird, kann wie folgt. detailliert beschrieben werden. Erstens ist die Veränderung ΔR des MRAM-Widerstandswerts als das Produkt aus TMR (Tunnel-Magnetowiderstands-Verhältnis) und dem nominellen Widerstandswert der MRAM-Speicherzelle, R, spezifiziert. Das TMR ist eine starke Funktion der Spannung, die über die Speicherzelle V_CELL angelegt wird, und befindet sich vorzugsweise in dem Bereich von 200 mV bis 500 mV, um TMRs von 10% bis 35% zu ergeben.
Als nächstes bildet eine Folge aus N Speicherzellen nominell einen Spannungsteiler mit einem in etwa gleichen Spannungsabfall über jede Speicherzelle: V_CELL = V_CC/N. Deshalb gilt, wenn V_CC als 2,0 V gegeben ist und V_CELL als 500 mV ausgewählt ist, N = 4, wie in den Ausführungsbeispielen der 3 und 5. Und wenn V_CELL als 200 mV ausgewählt ist, wäre N gleich 10.
Ferner verstärken die Leseverstärker der 3 und 5 die Differenz zwischen der Ausgabe des Spannungsteilers, gebildet durch den abgegriffenen Knoten, V_G, wenn die ausgewählte Speicherzelle in einem Zustand 1 (V₁) und in einem Zustand 2 (V₂) ist. Die Spannungsdifferenz ist direkt auf V_CC, N und TMR bezogen, wie in den folgenden Gleichungen gezeigt ist (unter der Annahme, dass der Zustand 1 antiparallel ist, der Zustand parallel, N = 4, wobei der Widerstandswert der Speicherzellen durch R₁, R₂, R₃ bzw. R₄ dargestellt wird, wobei R₁ die ausgewählte Speicherzelle ist):

[1] V₁ = V_CC·(R₁·(1 + TMR) + R₂)/(R₁·(1 + TMR) + R₂ + R₃ + R₄)
[2] V¹ ~= V_CC·(TMR/4 + 0,5)
[3] V₂ = V_CC·(R₁ + R₂)/(R₁ + R₂ + R₃ + R₄)
[4] V₂ ~= V_CC·0,5
[5] V_DIFF = V₁ – V₂
[6] V_DIFF ~= V_CC·TMR/4
[7] allgemein: V_DIFF = V_CC·TMR/N

Folglich wählt der Spannungsteilerentwurf V_CC, TMR und N aus, um ein ausreichendes Signal zu liefern, um zuverlässig zu verstärken und zu erfassen. Für das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel gilt V_DiFF = 2,0 V·0,1/4 = 50 mV.
Im folgenden wird Bezug auf 7 genommen, die ein Ausführungsbeispiel eines Mehrebenen-MRAM-Chips 700 darstellt. Der MRAM-Chip 700 umfasst eine Anzahl Z von Speicherzellenpegeln oder -ebenen 702, die in einer Z-Richtung auf einem Substrat 704 gestapelt sind. Die Anzahl Z ist eine positive Ganzzahl, wobei Z >= 1 gilt. Die Speicherzellebenen 702 können durch ein isolierendes Material (nicht gezeigt), wie z. B. Siliziumdioxid, getrennt sein. Lese- und Schreibschaltungen können auf dem Substrat 704 hergestellt sein. Die Lese- und Schreibschaltungen können zusätzliche Multiplexer zum Auswählen der Ebenen, von denen gelesen wird und an die geschrieben wird, umfassen.
So ist eine MRAM-Vorrichtung offenbart, in der Widerstandszustände der Speicherzellen während Leseoperationen erfasst werden können. Die hierin beschriebene MRAM-Vorrichtung kann in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. 8 zeigt eine exemplarische allgemeine Anwendung für einen oder mehrere MRAM-Chips 700. Die allgemeine Anwendung ist durch eine Vorrichtung 850 ausgeführt, die ein MRAM-Speichermodul 852, ein Schnittstellenmodul 854 und einen Prozessor 856 umfasst. Das MRAM-Speichermodul 852 umfasst einen oder mehrere MRAM-Chips 700 zur nichtflüchtigen Speicherung. Das Schnittstellenmodul 854 liefert eine Schnittstelle zwischen dem Prozessor 856 und dem MRAM-Speichermodul 852. Die Vorrichtung 850 könnte ebenso andere Typen und/oder Pegel eines Speichers umfassen.
Für eine Vorrichtung 850, wie z. B. einen Notebook-Computer oder einen Personalcomputer, könnte das MRAM-Speichermodul 852 eine Anzahl von MRAM-Chips 700 umfassen und das Schnittstellenmodul 854 könnte eine IDE- oder eine SCSI-Schnittstelle umfassen. Für eine Vorrichtung 850, wie z. B. einen Server, könnte das MRAM-Speichermodul 852 eine größere Anzahl von MRAM-Chips 700 umfassen und das Schnittstellenmodul 854 könnte eine Faserkanal- oder eine SCSI-Schnittstelle umfassen. Derartige MRAM-Speichermodule 852 könnten herkömmliche nichtflüchtige Speichervorrichtungen, wie z. B. Festplattenlaufwerke, ersetzen oder ergänzen.
Für eine Vorrichtung 850, wie z. B. eine Digitalkamera, könnte das MRAM-Speichermodul 852 eine kleinere Anzahl von MRAM-Chips 700 umfassen und das Schnittstellenmodul 854 könnte eine Kameraschnittstelle umfassen. Ein derartiges MRAM-Speichermodul 852 würde eine nichtflüchtige Speicherung von Digitalbildern auf der Digitalkamera erlauben.
Die 9a bis 9d sind Diagramme, die ein Ausführungsbeispiel einer MRAM-Speicherzelle mit einer Weichreferenzschicht 902 darstellen. Die in den 9a bis 9d gezeigte MRAM-Speicherzelle ist eine SDT-Übergangsvorrichtung, die eine Datenschicht 900 und eine Weichreferenzschicht 902, die durch eine isolierende Tunnelbarriere 901 getrennt sind, umfasst. Die isolierende Tunnelbarriere 901 erlaubt das Auftreten eines quantenmechanischen Tunnelns zwischen der Datenschicht 900 und der Weichreferenzschicht 902. Dieses Tunnelungsphänomen ist elektronenspinabhängig, was den Widerstandswert der SDT-Übergangsvorrichtung zu einer Funktion der relativen Ausrichtungen der Magnetisierung der Datenschicht 900 und der Weichreferenzschicht 902 macht. Der Widerstandswert der SDT-Übergangsvorrichtung ist z. B. ein erster Wert R, wenn die Magnetisierungsausrichtung der Datenschicht 900 und der Weichreferenzschicht 902 parallel ist, und ein zweiter Wert (R + ΔR), wenn die Magnetisierungsausrichtung antiparallel ist.
Die Datenschicht 900 und die Weichreferenzschicht 902 weisen beide freie Schichten auf, ähnlich der freien Schicht 50, die oben Bezug nehmend auf 2 beschrieben wurde. Folglich kann die Magnetisierungsausrichtung in sowohl der Datenschicht 900 als auch der Weichreferenzschicht 902 durch ein Anlegen von Strömen auf einer Wortleitung 14 und einer Bitleitung 16 verändert werden. Die Speicherzelle der 9a bis 9d wird durch ein Anlegen von Schreibströmen an eine Wortleitung 14 und eine Bitleitung 16 beschrieben, um eine Magnetisierungsrichtung der Datenschicht 900 und der Weichreferenzschicht 902 in eine ausgewählte Richtung zu setzen. Ein Beschreiben der Speicherzelle bewirkt, dass die Magnetisierungsrichtung in sowohl der Datenschicht 900 als auch der Weichreferenzschicht 902 gleich ist. Nachdem der Schreibstrom entfernt wurde, bewirkt eine Magnetkopplung von der Datenschicht 900 zu der Weichreferenzschicht 902, dass die Magnetisierungsrichtung der Weichreferenzschicht ihre Richtung umkehrt, um antiparallel in Bezug auf die Datenschicht zu sein. Entsprechend befindet sich die Speicherzelle zu Beginn ansprechend auf ein Anstreben des niedrigsten Energiezustands in einem antiparallelen Zustand.
Nachdem die Speicherzelle beschrieben wurde, kann dieselbe gelesen werden, indem ein Schreiberfassungsstrom angelegt wird, um die Weichreferenzschicht 902 unter Verwendung einer Wortleitung 14 in eine bekannte Magnetisierungsrichtung zu setzen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann ein Schreiberfassungsstrom an die Bitleitung 16 angelegt wird, gemeinsam mit dem Schreiberfassungsstrom, der an die Wortleitung 14 angelegt wird, um die Weichreferenzschicht 902 in die bekannte Magnetisierungsrichtung zu setzen. Ein Schreiberfassungsstrom weist einen Strom mit einer Größe auf, die ausreichend ist, um die Magnetisierungsrichtung der Weichreferenzschicht 902 zu setzen, jedoch nicht ausreichend ist oder unterhalb einer Schwelle ist, die benötigt wird, um die Magnetisierungsrichtung der Datenschicht 900 zu setzen. Anders ausgedrückt kann ein Schreiberfassungsstrom den Zustand der Weichreferenzschicht 902 verändern, ein Schreiberfassungsstrom kann jedoch den Zustand der Datenschicht 900 nicht verändern. Nachdem die Weichreferenzschicht in die bekannte Magnetisierungsrichtung gesetzt wurde, kann sich Speicherzelle in entweder einem parallelen oder einem antiparallelen Zustand befinden.
9a stellt die Speicherzelle dar, nachdem sie in einen ersten Zustand geschrieben wurde. Die Pfeile oberhalb und unterhalb der Speicherzelle zeigen die Magnetisierungsrichtung der Datenschicht 900 bzw. der Weichreferenzschicht 902 an. Der erste Zustand ist durch die Magnetisierungsrichtung der Datenschicht 900 definiert, die in 9a in einer Rechtsrichtung gezeigt ist. Wie oben angemerkt wurde, befindet sich die Speicherzelle ansprechend auf ein Anstreben des niedrigsten Energiezustands in einem antiparallelen Zustand.
9b stellt ein Lesen des ersten Zustands von der Speicherzelle dar. Ein Schreiberfassungsstrom wird über die Speicherzelle angelegt, um die Weichreferenzschicht 902 in einen bekannten Zustand, d. h. bekannte Magnetisierungsrichtung, zu setzen, wie durch den gestrichelten Pfeil angezeigt ist, der in 9b in einer Rechtsrichtung gezeigt ist. In 9b ist die bekannte Magnetisierungsrichtung, die in der Weichreferenzschicht eingestellt ist, die gleiche Richtung wie die Magnetisierungsrichtung, d. h. der erste Zustand, der Datenschicht 900. Folglich befindet sich die Speicherzelle ansprechend darauf, dass der Schreiberfassungsstrom angelegt wird, in einem parallelen Zustand.
9c stellt die Speicherzelle dar, nachdem dieselbe in einen zweiten Zustand geschrieben wurde. Die Pfeile oberhalb und unterhalb der Speicherzelle zeigen die Magnetisierungsrichtung der Datenschicht 900 bzw. der Weichreferenzschicht 902 an. Der zweite Zustand ist durch die Magnetisierungsrichtung der Datenschicht 900 definiert, die in 9c in einer Linksrichtung gezeigt ist. Wie oben angemerkt wurde, befindet sich die Speicherzelle ansprechend auf ein Anstreben des niedrigsten Energiezustands in einem antiparallelen Zustand.
9d stellt ein Lesen des zweiten Zustands von der Speicherzelle dar. Ein Schreiberfassungsstrom wird über die Speicherzelle angelegt, um die Weichreferenzschicht 902 in einen bekannten Zustand, d. h. bekannte Magnetisierungsrichtung, zu setzen, wie durch den gestrichelten Pfeil angezeigt ist, der in 9d wie auch in 9b in einer Rechtsrichtung gezeigt ist. In 9d ist die bekannte Magnetisierungsrichtung, die in der Weichreferenzschicht eingestellt ist, in der entgegengesetzten Richtung zu der Magnetisierungsrichtung, d. h. dem zweiten Zustand, der Datenschicht 900. Folglich befindet sich die Speicherzelle ansprechend darauf, dass der Schreiberfassungsstrom angelegt wird, in einem antiparallelen Zustand.
10 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Lesen einer Speicherzelle in dem Ausführungsbeispiel der in 3 gezeigten Speicherzellenfolge 12 darstellt. Bei dem Ausführungsbeispiel aus 10 umfassen Speicherzellen 70a, 70b, 70c und 70d jeweils eine Weichreferenzschicht 902, wie oben Bezug nehmend auf die 9a bis 9d beschrieben wurde.
In 10 wird eine Spannung V_CC an eine Speicherzellenfolge 12 geliefert, wie in einem Block 1002 angezeigt ist. Eine erste Spannung wird an einem Knoten in der Speicherzellenfolge 12 erfasst, wie in einem Block 1004 angezeigt ist. Insbesondere bewirken ein Transistor 72 und eine Schaltschaltung 74, dass die Spannung, die zu einem ersten Zeitpunkt an dem Knoten V_G zwischen den Speicherzellen 70b und 70c vorliegt, erfasst und auf einem Kondensator 76 gespeichert wird, wie oben Bezug nehmend auf 3 beschrieben wurde.
Ein Schreiberfassungsstrom wird über eine ausgewählte Speicherzelle in der Speicherzellenfolge 12, z. B. die Speicherzelle 70b, angelegt, wie in einem Block 1006 angezeigt ist. Der Schreiberfassungsstrom weist einen Strom auf, der auf einer Wortleitung 14 über die ausgewählte Speicherzelle angelegt wird, z. B. Wortleitung 14b für die Speicherzelle 70b. Der Schreiberfassungsstrom weist eine Größe auf, die ausreichend ist, um die Weichreferenzschicht 902 der ausgewählten Speicherzelle in einen bekannten Zustand, d. h. Magnetisierungsrichtung, zu setzen, jedoch unterhalb eines Pegels, der bewirken würde, dass die Datenschicht 900 der ausgewählten Speicherzelle ihren Zustand verändert, d. h. beschrieben wird. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen weist der Schreiberfassungsstrom außerdem einen Strom auf, der auf einer Bitleitung 16 über die ausgewählte Speicherzelle angelegt wird.
Eine zweite Spannung wird an einem Knoten in der Speicherzellenfolge 12 erfasst, wie in einem Block 1008 angezeigt ist. Insbesondere bewirken der Transistor 72 und die Schaltschaltung 74, dass die Spannung, die zu einem zweiten Zeitpunkt an dem Knoten V_G zwischen den Speicherzellen 70b und 70c vorliegt, erfasst und an den negativen Eingang des Differenzverstärkers 78 geliefert wird. Die zweite Spannung wird erfasst, nachdem die ausgewählte Speicherzelle, z. B. Speicherzelle 70b, in den ersten Zustand geschrieben wurde.
Eine Bestimmung wird durch den Leseverstärker 26 hinsichtlich dessen durchgeführt, ob sich die erste Spannung von der zweiten Spannung unterscheidet, wie in einem Block 1010 angezeigt ist. Die Bestimmung wird unter Verwendung des Differenzverstärkers 78 und eines Signalverstärkers 80 durchgeführt. Wenn sich die erste Spannung nicht von der zweiten Spannung unterscheidet, wird ein erster Logikpegel, der einem ersten Zustand zugeordnet ist, aus der ausgewählten Speicherzelle, z. B. Speicherzelle 70b, ausgelesen, wie in einem Block 1012 angezeigt ist. Wenn sich die erste Spannung von der zweiten Spannung unterscheidet, wird ein zweiter Logikpegel, der einem zweiten Zustand zugeordnet ist, aus der ausgewählten Speicherzelle, z. B. der Speicherzelle 70b, ausgelesen, wie in einem Block 1014 angezeigt ist.
Der Leseverstärker 26 bewirkt, dass der erste oder der zweite Logikpegel aus der ausgewählten Speicherzelle ausgelesen wird, indem er bewirkt, dass eine „1” oder eine „0” in dem Register 30 gespeichert und an eine I/O-Anschlussfläche 32 geliefert wird.
Wie oben angemerkt wurde, bewirken der parallele Zustand und der antiparallele Zustand, dass unterschiedliche Widerstandswerte über eine Speicherzelle gemessen werden. Durch ein Anlegen einer Spannung über die Speicherzellenfolge 12 kann eine Spannung an einem Knoten zwischen Speicherzellen in der Zeichenfolge, bevor und nachdem ein Schreiberfassungsstrom über die Speicherzelle angelegt wird, erfasst werden. Wenn das Anlegen des Schreiberfassungsstroms zu einem Zustand führt, der mit dem Zustand der ausgewählten Speicherzelle, bevor der Schreiberfassungsstrom angelegt wurde, übereinstimmt, verändert sich der Widerstandswert der Zelle nicht und die an dem Knoten nach dem Schreiben erfasste Spannung ist in etwa die gleiche wie die Spannung, die an dem Knoten erfasst wurde, bevor der Schreiberfassungsstrom angelegt wurde. Wenn das Anlegen des Schreiberfassungsstroms zu einem Zustand führt, der mit dem Zustand der ausgewählten Speicherzelle, bevor der Schreiberfassungsstrom angelegt wurde, nicht übereinstimmt, verändert sich der Widerstandswert der Zelle und die an dem Knoten nach dem Schreiben erfasste Spannung unterscheidet sich von der Spannung, die an dem Knoten erfasst wird, bevor der Schreiberfassungsstrom angelegt wird. Auf diese Weise wirkt die Speicherzellenfolge 12 wirksam als eine Spannungsteilerschaltung.
Da das Anlegen des Schreiberfassungsstroms über die ausgewählte Speicherzelle den Zustand der Datenschicht 900 der ausgewählten Speicherzelle nicht verändert hat, muss die ausgewählte Speicherzelle nicht in ihren ursprünglichen Zustand überschrieben werden.
Eine Steuerschaltung 34 liefert geeignete Zeitgebungssignale an eine Zeilendecodierschaltung 18, eine Spaltendecodierschaltung 20, eine Leseschaltung 22, eine Lenkschaltung 24 und einen Leseverstärker 26, um es zu ermöglichen, dass die in 10 gezeigten Funktionen des Verfahrens durchgeführt werden können.
Jede der Speicherzellen 70a, 70b, 70c und 70d kann unter Verwendung des gerade beschriebenen Verfahrens gelesen Werden. Obwohl vier Speicherzellen in der in 3 dargestellten Speicherzellenfolge gezeigt sind, können andere Speicherzellenfolgen andere Anzahlen von Speicherzellen, die in Serie geschaltet sind, umfassen.
11 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Lesen einer ausgewählten Speicherzelle in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der Speicherzellenfolge 12 darstellt. Bei dem Ausführungsbeispiel aus 11 umfassen Speicherzellen 70a, 70b, 70c und 70d jeweils eine Weichreferenzschicht 902, wie oben Bezug nehmend auf die 9a bis 9d beschrieben wurde.
In 11 ist eine Spannungsquelle an einem Ende einer Speicherzellenfolge 12, das sich am nächsten an der ausgewählten Speicherzelle in der Speicherzellenfolge befindet, vorgesehen, wie in einem Block 1112 angezeigt ist. Eine Massequelle wird an dem anderen Ende der Speicherzellenfolge 12 bereitgestellt, wie in einem Block 1104 angezeigt ist.
Die Spannungsquelle und die Massequelle sind gekoppelt, um zu bewirken, dass die ausgewählte Speicherzelle am nächsten an der Versorgungsspannung (V_A oder V_B) der Spannungsteilerschaltung ist, die durch die Spannungsquelle, die Massequelle und die Speicherzellen 70a, 70b, 70c und 70d gebildet ist. Entsprechend ist das Ende der Speicherzellenfolge 12, das sich am nächsten an einer ausgewählten Speicherzelle 70 befindet, das Ende, das die ausgewählte Speicherzelle zwischen die Spannungsquelle V_A oder V_B und den Spannungsteilerabgreifknoten V_G geben würde. Dieses nächste Ende ist mit einer Spannungsquelle V_A oder V_B gekoppelt und das Ende gegenüber von dem nächsten Ende ist mit einer Massequelle gekoppelt. Die Versorgungsspannung V_A oder V_B kann mit V_DD gekoppelt sein.
Wenn z. B. die Speicherzelle 70a oder 70b zum Lesen ausgewählt ist, wird die Spannung V_A über die Speicherzellenfolge 12 angelegt und das Ende der Speicherzellenfolge 12, angezeigt durch V_B, wird mit einer Massequelle gekoppelt. Wenn die Speicherzelle 70c oder 70d zum Lesen ausgewählt ist, wird die Spannung V_B angelegt, wie in 5 angezeigt ist, und das Ende der Speicherzellenfolge 12, durch V_A angezeigt, wird mit einer Massequelle gekoppelt.
Durch ein Umschalten der Spannungs- und der Massequelle basierend auf der relativen Position der ausgewählten Speicherzelle in der Speicherzellenfolge, wie oben beschrieben, können die an den Leseverstärker 26 gelieferten Signale bei einer erwünschten Polarität sein, um eine Vereinfachung des Entwurfs des Leseverstärkers 26 zu ermöglichen.
Eine erste Spannung, die an einem Knoten in der Speicherzellenfolge 12 erfasst wird, wird gespeichert, wie in einem Block 1106 angezeigt ist. Insbesondere bewirken ein Transistor 92, ein Differenzverstärker 100 und ein Schalter 102, dass die zu einem ersten Zeitpunkt an dem Knoten V_G zwischen den Speicherzellen 70b und 70c vorliegende Spannung erfasst und auf einem Kondensator 104 gespeichert wird, wie oben beschrieben ist. Eine Spannung V_A oder V_B wird an die Speicherzellenfolge 12 angelegt, um eine Spannungsteilerspannung zu entwickeln, die an das Gate des Transistors 92 angelegt wird, um zu bewirken, dass eine Lesespannung an den Eingang des Differenzverstärkers 100 übertragen wird. Die Spannung V_A oder V_B kann gleich V_DD sein.
Ein Schreiberfassungsstrom wird über die ausgewählte Speicherzelle in der Speicherzellenfolge 12, z. B. Speicherzelle 70b, angelegt, wie in einem Block 1108 angezeigt ist. Der Schreiberfassungsstrom weist einen Strom auf, der auf einer Wortleitung 14 über die ausgewählte Speicherzelle, z. B. Wortleitung 14b für die Speicherzelle 70b, angelegt wird. Der Schreiberfassungsstrom weist eine Größe auf, die ausreichend ist, um die Weichreferenzschicht 902 der ausgewählten Speicherzelle in einen bekannten Zustand, d. h. Magnetisierungsrichtung, zu setzen, jedoch unterhalb eines Pegels, der bewirken würde, dass die Datenschicht 900 der ausgewählten Speicherzelle ihren Zustand verändert, d. h. beschrieben wird. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen weist der Schreiberfassungsstrom außerdem einen Strom auf, der auf einer Bitleitung 16 über die ausgewählte Speicherzelle angelegt wird.
Eine zweite Spannung wird an einem Knoten in der Speicherzellenfolge 12 erfasst, wie in einem Block 1110 angezeigt ist. Insbesondere bewirken der Transistor 92, der Differenzverstärker 100 und der Schalter 102, dass die zu einem zweiten Zeitpunkt an dem Knoten VG zwischen den Speicherzellen 70b und 70c vorliegende Spannung erfasst und an den negativen Eingang des Differenzverstärkers 106 geliefert wird. Die zweite Spannung wird erfasst, nachdem die ausgewählte Speicherzelle, z. B. Speicherzelle 70b, in den ersten Zustand geschrieben wird.
Eine Bestimmung wird durch den Differenzverstärker 106 hinsichtlich dessen durchgeführt, ob sich die erste Spannung von der zweiten Spannung unterscheidet, wie in einem Block 1112 angezeigt ist. Wenn sich die erste Spannung nicht von der zweiten Spannung unterscheidet, wird ein erster Logikpegel, der einem ersten Zustand zugeordnet ist, aus der ausgewählten Speicherzelle, z. B. Speicherzelle 70b, ausgelesen, wie in einem Block 1114 angezeigt ist. Wenn sich die erste Spannung von der zweiten Spannung unterscheidet, wird ein zweiter Logikpegel, der einem zweiten Zustand zugeordnet ist, aus der ausgewählten Speicherzelle, z. B. Speicherzelle 70b, ausgelesen, wie in einem Block 1116 angezeigt ist.
Der Leseverstärker 26 bewirkt, dass der erste oder der zweite Logikpegel aus der ausgewählten Speicherzelle ausgelesen wird, indem er bewirkt, dass eine „1” oder eine „0” in einem Leselatch 110 in dem Register 30 gespeichert und an die I/O-Anschlussfläche 32 geliefert wird.
Wie oben angemerkt wurde, wirkt die Speicherzellenfolge 12 wirksam als eine Spannungsteilerschaltung bei dem Ausführungsbeispiel aus 5.
Da das Anlegen des Schreiberfassungsstroms über die ausgewählte Speicherzelle den Zustand der Datenschicht 900 der ausgewählten Speicherzelle nicht verändert hat, muss die ausgewählte Speicherzelle nicht in ihren ursprünglichen Zustand überschrieben werden.
Eine Steuerschaltung 34 liefert geeignete Zeitgebungssignale an eine Zeilendecodierschaltung 18, eine Spaltendecodierschaltung 20, eine Leseschaltung 22, eine Lenkschaltung 24 und einen Leseverstärker 26, um eine Durchführung der in 11 gezeigten Funktionen des Verfahrens zu ermöglichen.
Jede der Speicherzellen 70a, 70b, 70c und 70d kann unter Verwendung des gerade beschriebenen Verfahrens gelesen werden. Obwohl in der in 5 dargestellten Speicherzellenfolge vier Speicherzellen gezeigt sind, können andere Speicherzellenfolgen andere Anzahlen von in Serie geschalteten Speicherzellen umfassen.
Die obigen Ausführungsbeispiele der MRAM-Vorrichtung könnten Vorteile gegenüber anderen MRAM-Vorrichtungen bieten. Ein höherer Pegel an Speicherzelldichten könnte z. B. verglichen mit anderen MRAM-Vorrichtungen erzielt werden, die zusätzliche Elemente umfassen. Erhöhte Dichten können zu verminderten Kosten für eine bestimmte Menge an Speicherkapazität führen. Zusätzlich können die hierin beschriebenen Speicherzellenfolgen verglichen mit vorherigen MRAM-Vorrichtungen eine bessere elektrische Schaltungstrennung liefern. Die verbesserte Trennung kann eine zuverlässigere Erfassung des Zustands von Speicherzellen in einer Speicherzellenfolge erlauben.
Die MRAM-Vorrichtung wurde in Verbindung damit beschrieben, dass die Zeilen entlang der x-Achse ausgerichtet sind und die Spalten entlang der y-Achse ausgerichtet sind. Die Zeilen und Spalten könnten jedoch vertauscht sein.

Claims

Datenspeichervorrichtung (8) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Speicherzellenfolge (12), die zumindest eine erste Magnet-Direktzugriffsspeicher-(MRAM-)Zelle (70a, 70b) umfasst, die mit einer zweiten MRAM-Zelle (70c, 70d) gekoppelt ist, wobei die erste und die zweite MRAM-Zelle jeweils eine Datenschicht (900), eine Weichreferenzschicht (902) und eine Tunnelbarriere (901), die die Datenschicht (900) und die Weichreferenzschicht (902) trennt, aufweist, und wobei ohne Anlegen eines Schreibstroms eine Magnetkopplung von der Datenschicht (900) zu der Weichreferenzschicht (902) bewirkt, dass sich die Magnetisierungsrichtung der Weichreferenzschicht (902) antiparallel zu der der Datenschicht (900) einstellt; und einer Schaltung (26), die mit einem Knoten zwischen der ersten MRAM-Zelle und der zweiten MRAM-Zelle gekoppelt ist, wobei die Schaltung konfiguriert ist, um eine Spannungsveränderung an dem Knoten ansprechend darauf, dass eine Spannung an die Speicherzellenfolge geliefert wird, und ansprechend darauf, dass ein Schreiberfassungsstrom über die erste MRAM-Zelle angelegt wird, zu erfassen, wobei der Schreiberfassungstrom ein Strom mit einer Größe ist, die ausreichend ist, die Magnetisierungsrichtung der Weichreferenzschicht (902) zu setzen, jedoch nicht ausreichend ist, die Magnetisierungsrichtung der Datenschicht (900) zu setzen.
Datenspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Schaltung (26) konfiguriert ist, um ansprechend auf ein Erfassen der Spannungsveränderung, zu erfassen, dass sich die erste MRAM-Zelle in einem ersten Zustand befunden hat.
Datenspeichervorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Schaltung (26) konfiguriert ist, um zu bewirken, dass ein dem ersten Zustand zugeordneter Logikpegel ausgelesen wird.
Datenspeichervorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der die Schaltung (26) konfiguriert ist, um ansprechend darauf, dass keine Spannungsveränderung erfasst wird, zu erfassen, dass sich die erste MRAM-Zelle in einem zweiten Zustand befunden hat.
Datenspeichervorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Schaltung (26) konfiguriert ist, um zu bewirken, dass ein dem zweiten Zustand zugeordneter Logikpegel ausgelesen wird.
Datenspeichervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die erste Speicherzellenfolge (12) ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei die Spannung an das erste Ende geliefert wird, und wobei das zweite Ende mit einer Massequelle gekoppelt ist.
Datenspeichervorrichtung gemäß Anspruch 6, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine zweite Speicherzellenfolge, die eine dritte MRAM-Zelle umfasst, die mit einer vierten MRAM-Zelle gekoppelt ist, und wobei die zweite Speicherzellenfolge ein drittes Ende und ein viertes Ende aufweist, und wobei das dritte Ende und das vierte Ende ansprechend darauf, dass der Schreiberfassungsstrom über die erste MRAM-Zelle angelegt wird, mit der Massequelle gekoppelt werden.
Datenspeichervorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, bei der die erste MRAM-Zelle mit dem ersten Ende gekoppelt ist, und bei der die zweite MRAM-Zelle mit dem zweiten Ende gekoppelt ist.
Datenspeichervorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, bei der die erste MRAM-Zelle mit dem zweiten Ende gekoppelt ist, und bei der die zweite MRAM-Zelle mit dem ersten Ende gekoppelt ist.
Datenspeichervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, bei der die Speicherzellenfolge eine dritte MRAM-Zelle und eine vierte MRAM-Zelle umfasst, und bei der die erste, die zweite, die dritte und die vierte MRAM-Zelle in Serie geschaltet sind.
Datenspeichervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die erste MRAM-Zelle eine Datenschicht (900) und eine Referenzschicht (902) aufweist, wobei der Schreiberfassungsstrom die Referenzschicht in einen ersten Zustand setzt, und wobei der Schreiberfassungsstrom einen zweiten Zustand der Datenschicht nicht verändert.
Verfahren zum Durchführen einer Leseoperation von einer ersten Speicherzelle (70a, 70b) in einer Datenspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Spannung an die Speicherzellenfolge; Messen einer ersten Spannung an einem Knoten zwischen der ersten und der zweiten Speicherzelle; Anlegen eines Schreiberfassungsstroms über die erste Speicherzelle; Messen einer zweiten Spannung an dem Knoten; und Bestimmen, ob sich die erste Spannung von der zweiten Spannung unterscheidet.
Verfahren gemäß Anspruch 12, das ferner folgenden Schritt aufweist: Bestimmen, dass die erste Speicherzelle in einem ersten Zustand war, ansprechend darauf, dass sich die erste Spannung von der zweiten Spannung unterscheidet.
Verfahren gemäß Anspruch 13, das ferner folgenden Schritt aufweist: Auslesen eines Logikpegels, der dem ersten Zustand zugeordnet ist, ansprechend darauf, dass sich die erste Spannung von der zweiten Spannung unterscheidet.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, das ferner folgenden Schritt aufweist: Bestimmen, dass die erste Speicherzelle in einem zweiten Zustand war, ansprechend darauf, dass sich die erste Spannung nicht von der zweiten Spannung unterscheidet.
Verfahren gemäß Anspruch 15, das ferner folgenden Schritt aufweist: Auslesen eines Logikpegels, der dem zweiten Zustand zugeordnet ist, ansprechend darauf, dass sich die erste Spannung nicht von der zweiten Spannung unterscheidet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, das ferner folgenden Schritt aufweist: Anlegen des Schreiberfassungsstroms über die erste Speicherzelle, um eine Referenzschicht (902) der ersten Speicherzelle in einen bekannten Zustand zu setzen.
System mit einer Datenspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiter mit: einem Transistor, der mit einem Knoten zwischen der ersten und der zweiten Speicherzelle gekoppelt ist und mit einer Bitleitung (16) gekoppelt ist, die der ersten Speicherzelle zugeordnet ist; einer Einrichtung, die mit der Bitleitung gekoppelt ist, zum Erfassen einer Spannungsänderung an dem Knoten ansprechend darauf, dass eine erste Spannung zu der ersten und der zweiten Speicherzelle geliefert wird; der Schreiberfassungsstrom an die Bitleitung (16) angelegt wird; und eine zweite Spannung zu dem Transistor geliefert wird.
System gemäß Anspruch 18, bei dem der Transistor (92) einen Spannungsfolgertransistor aufweist.
System gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem der Transistor eine Gate-Verbindung, eine Source-Verbindung und eine Drain-Verbindung umfasst, wobei die Gate-Verbindung mit dem Knoten gekoppelt ist, und wobei die Source-Verbindung mit der Bitleitung (16) gekoppelt ist.
System gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem der Transistor eine Gate-Verbindung, eine Source-Verbindung und eine Drain-Verbindung umfasst, wobei die Source-Verbindung mit dem Knoten gekoppelt ist, und wobei die Drain-Verbindung mit der Bitleitung (16) gekoppelt ist.
System gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem der Transistor eine Gate-Verbindung, eine Source-Verbindung und eine Drain-Verbindung umfasst, wobei die Drain-Verbindung mit dem Knoten gekoppelt ist, und wobei die Source-Verbindung mit der Bitleitung (16) gekoppelt ist.
System gemäß einem der Ansprüche 18 bis 22, bei dem die Einrichtung dazu dient, zu erfassen, dass die erste Speicherzelle in einem ersten Zustand war, ansprechend auf ein Erfassen der Spannungsänderung, und bei dem die Einrichtung dazu dient, zu bewirken, dass ein erster Logikpegel, der dem ersten Zustand zugeordnet ist, ausgelesen wird.
System gemäß Anspruch 23, bei dem die Einrichtung dazu dient, zu erfassen, dass die erste Speicherzelle in einem zweiten Zustand war, ansprechend darauf, dass keine Spannungsänderung erfasst wird, und bei dem die Einrichtung dazu dient, zu bewirken, dass ein zweiter Logikpegel, der dem zweiten Zustand zugeordnet ist, ausgelesen wird.
System gemäß einem der Ansprüche 18 bis 24, das eine Spannungsquelle aufweist, die konfiguriert ist, um die erste Spannung und die zweite Spannung bereitzustellen.