ЯЧЕЙКА МАГНИТНОЙ ОПЕРАТИВНОЙ ПАМЯТИ С ДВОЙНЫМ ПЕРЕХОДОМ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЙ ТРОИЧНОЙ АССОЦИАТИВНОЙ ПАМЯТИ
MAGNETIC RANDOM ACCESS MEMORY CELL WITH DUAL JUNCTION FOR TERNARY CONTENT ADDRESSABLE MEMORY APPLICATIONS

Область техники
Настоящее изобретение относится к ячейке магнитной оперативной памяти (MRAM) с двойным магнитным туннельным переходом для использования в качестве троичной ассоциативной памяти.
Уровень техники
TCAM (троичная ассоциативная память) - важный класс устройств памяти, широко используемый для сетей интернет. Эти элементы работают на сопоставлении входных данных с сохраненными адресными данными. Одним признаком таких элементов является то, что они требуют хранения трех отдельных состояний 1, 0 и "безразличное состояние". Стандартное исполнение такого устройства требует очень большого количества транзисторов для того, чтобы обеспечить такие функции, и это приводит к чрезвычайно большим размерам кристалла.
Типичное исполнение ячейки TCAM статической оперативной памяти (SRAM) состоит из троичной памяти, содержащей две ячейки SRAM, которые объединяют от десяти до двенадцати транзисторов. Оно также имеет логическую схему сравнения, которая, в основном, является логическим элементом исключающего ИЛИ-НЕ (XNOR), использующим четыре дополнительных проходных транзистора. Отсюда очень большие, от четырнадцати до шестнадцати транзисторов, размеры ячеек, отсюда же дорогостоящее устройство. Обычные ячейки TCAM часто представляют собой две стандартные ячейки SRAM с четырьмя или более транзисторами, сконструированными, чтобы выполнять функцию исключающего НЕ (EOR).
В отличие от интегральной схемы RAM (оперативной памяти), которая имеет простые ячейки хранения, каждый индивидуальный бит памяти в полностью параллельной TCAM имеет свою собственную связанную схему сравнения для того, чтобы обнаруживать соответствие между битом сохраненных данных и битом входных данных. Микросхемы TCAM, таким образом, значительно меньше по емкости запоминающего устройства, чем стандартные интегральные схемы памяти. Кроме того, выходные сигналы совпадения от каждой ячейки в слове данных могут быть объединены, чтобы получить полный сигнал совпадения слова данных. Связанная дополнительная схема дополнительно увеличивает физический размер микросхемы TCAM. Кроме того, CAM (ассоциативная память) и TCAM так, как они выполняются сегодня (с использованием элементов SRAM), в действительности энергозависимы, что означает, что данные теряются, когда питание отключается. В результате, каждая схема сравнения нуждается в том, чтобы быть активной в каждом периоде тактовых импульсов, что приводит к большому рассеянию мощности. С большой стоимостью, большой мощностью и с присущей ей энергозависимостью TCAM используется только в специализированных применениях, где скорость поиска не может быть достигнута использованием менее затратного метода.
Развивающаяся технология памяти и высокоскоростные поисково-емкие применения требуют троичной ассоциативной памяти с большими размерами слова, которые страдают из-за низких скоростей поиска в силу большой емкости ячейки.
Сущность изобретения
Настоящее описание относится к ячейке магнитной оперативной памяти (MRAM), включающей в себя слой мягкого ферромагнетика, имеющий намагниченность, которая может быть свободно ориентирована; первый слой твердого ферромагнетика, имеющий первую намагниченность хранения; первый туннельный барьерный слой, заключенный между слоем мягкого ферромагнетика и первым слоем твердого ферромагнетика; второй слой твердого ферромагнетика, имеющий вторую намагниченность хранения; и второй туннельный барьерный слой, заключенный между слоем мягкого ферромагнетика и вторым слоем твердого ферромагнетика; где первая намагниченность хранения может быть свободно ориентирована при первом высоком заранее определенном температурном пороге и вторая намагниченность хранения может быть свободно ориентирована при втором заранее определенном высоком температурном пороге; при этом первый высокий заранее определенный температурный порог выше второго заранее определенного высокого температурного порога.
В варианте осуществления изобретения магнитный элемент может дополнительно включать в себя первый антиферромагнитный слой, закрепляющий первую намагниченность хранения ниже первого высокого заранее определенного температурного порога, и второй антиферромагнитный слой, закрепляющий вторую намагниченность хранения ниже второго заранее определенного высокого температурного порога.
В другом варианте осуществления изобретения первый слой твердого ферромагнетика может иметь произведение сопротивление-площадь первого перехода и второй слой твердого ферромагнетика может иметь произведение сопротивление-площадь второго перехода, которое по существу равно произведению сопротивление-площадь первого перехода.
Настоящее описание также относится к способу записи в ячейку MRAM, включающему в себя:
нагрев магнитного элемента до температуры выше первого заранее определенного высокого температурного порога;
приложение магнитного поля записи в первом направлении так, чтобы сориентировать первую намагниченность хранения и вторую намагниченность хранения в соответствии с магнитным полем записи.
В варианте осуществления изобретения упомянутое магнитное поле записи может быть приложено в первом направлении для сохранения первых данных или во втором направлении для сохранения вторых данных.
В другом варианте осуществления изобретения способ может дополнительно включать в себя охлаждение магнитного элемента (2) ниже второго заранее определенного высокого температурного порога.
В еще одном варианте осуществления изобретения способ может дополнительно включать в себя:
охлаждение магнитного элемента до промежуточной температуры, заключенной ниже первого заранее определенного высокого температурного порога и выше второго заранее определенного высокого температурного порога;
приложение магнитного поля записи во втором направлении, противоположном первому направлению, так, чтобы сориентировать вторую намагниченность хранения во втором направлении вдоль магнитного поля записи для сохранения третьих данных; и
охлаждение магнитного элемента ниже второго заранее определенного высокого температурного порога.
Также описан способ считывания ячейки MRAM, включающий в себя:
измерение значения начального сопротивления магнитного элемента с сохраненными данными;
передачу первых данных поиска на слой считывания и определение соответствия между первыми данными поиска и сохраненными данными; и
передачу вторых данных поиска на слой считывания и определение соответствия между вторыми данными поиска и сохраненными данными.
Ячейка MRAM, описанная здесь, может использоваться как троичная ассоциативная память. Ячейка MRAM может хранить три различных уровня состояния 1, 0 и "Х" (безразличное состояние) и может использоваться как устройство соответствия, позволяющее, таким образом, исполнение ячейки TCAM с существенно уменьшенным размером ячейки и ценой.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет понято лучше при помощи описания варианта осуществления, данного путем примера и проиллюстрированного чертежами, на которых:
Фиг.1 показывает вид ячейки магнитной оперативной памяти (MRAM), включающей в себя первый слой хранения, второй слой хранения и слой считывания согласно варианту осуществления изобретения; и
Фиг.2а-с иллюстрируют ориентацию намагниченности первого и второго слоя хранения и слоя считывания.
Подробное описание возможных вариантов осуществления
1
2
В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.1, ячейка 1 магнитной оперативной памяти (MRAM) включает в себя магнитный элемент 2, который выполнен из двойного магнитного туннельного перехода, включающего в себя первый туннельный барьерный слой 22, имеющий произведение RA сопротивление-площадь первого перехода, и первый слой твердого ферромагнетика, или первый слой 23 хранения, имеющий первую намагниченность 230 хранения. Магнитный элемент 2 дополнительно включает в себя второй туннельный барьерный слой 24, имеющий произведение RA сопротивление-площадь второго перехода, и второй слой твердого ферромагнетика, или второй слой 25 хранения, имеющий вторую намагниченность 250 хранения. Слой мягкого ферромагнетика, или слой 21 считывания, имеющий намагниченность 210 считывания, которая может быть свободно ориентирована, заключается между первым и вторым туннельным барьерным слоем 22, 24.
На примере Фиг.1 магнитный элемент 2 дополнительно включает в себя первый антиферромагнитный слой 20 и второй антиферромагнитный слой 26. Первый антиферромагнитный слой 20 приспособлен для обменного взаимодействия с первым слоем 23 хранения так, что первая намагниченность 230 хранения может быть свободно ориентирована при первом высоком температурном пороге Tw1 и закреплена ниже этой температуры. Второй антиферромагнитный слой 26 приспособлен для обменного взаимодействия со вторым слоем 25 хранения так, что вторая намагниченность 250 хранения может быть свободно ориентирована при втором высоком температурном пороге Tw2 и закреплена ниже этой температуры. В варианте осуществления изобретения первый заранее определенный высокий температурный порог Tw1 больше, чем второй заранее определенный высокий температурный порог Tw2.
На иллюстративном примере первый слой 23 хранения может быть выполнен из сплава на основе NiFe/CoFeB и первый антиферромагнитный слой 20 может быть выполнен из сплава на основе IrMn. Второй слой 25 хранения может быть выполнен из сплава на основе CoFeB/NiFe и второй антиферромагнитный слой 26 может быть выполнен из сплава на основе FeMn. Слой 21 считывания предпочтительно выполнен из сплава на основе CoFeB.
1
2
1
2
1
2
2
В варианте осуществления изобретения произведение RA сопротивление-площадь первого перехода по существу равно произведению RAсопротивление-площадь второго перехода. Первое туннельное магнитосопротивление TMR первого туннельного барьерного слоя 22, первого слоя 23 хранения и слоя 21 считывания будет тогда по существу таким же, как второе туннельное магнитосопротивление TMR второго туннельного барьерного слоя 24, второго слоя 25 хранения и слоя 21 считывания. Первый и второй туннельные барьерные слои 22, 24 предпочтительно выполнены из MgO, где оба произведения RA, RAсопротивление-площадь первого и второго перехода, по существу, равны 20 Ом×мкм.
Ячейка 1 MRAM может дополнительно включать в себя линию тока (не представлена) в электрическом взаимодействии с одним из концов магнитного элемента 2 и транзистор выбора (также не представлен) в электрическом взаимодействии с другим концом магнитного элемента 2.
В варианте осуществления изобретения ячейка 1 MRAM записывается с использованием термически выполняемой операции записи. В частности, передача первых данных записи ячейке 1 MRAM включает в себя следующие этапы:
нагрев магнитного элемента 2 до/при температуре выше первого заранее определенного высокого температурного порога Tw1 так, чтобы освободить первую и вторую намагниченности 230, 250 хранения;
приложение магнитного поля записи в первом направлении так, чтобы сориентировать как первую намагниченность 230 хранения, так и вторую намагниченность 250 хранения в первом направлении в соответствии с магнитным полем записи; и
охлаждение магнитного элемента 2 до температуры, которая ниже второго заранее определенного высокого температурного порога Tw2 так, чтобы первая и вторая намагниченность 230, 250 хранения закрепились в записанном состоянии с помощью первого и второго антиферромагнитного слоя 20, 26 соответственно.
После охлаждения и в отсутствие магнитного поля записи слой 21 считывания находится в равновесном состоянии и его намагниченность 210 считывания ориентирована антипараллельно первой и второй намагниченности 230, 250 хранения. Первые сохраненные данные "0" таким образом соответствуют магнитному элементу 2, имеющему первый уровень состояния. Ориентация первой намагниченности 230 хранения, второй намагниченности 250 хранения и намагниченности 210 считывания показана на Фиг.2a-c. На Фиг.2a-c первый и второй антиферромагнитный слои 20, 26 не представлены. В частности, Фиг.2а представляет ориентацию намагниченностей 230, 250 хранения и намагниченности 210 считывания для первых сохраненных данных "0".
В другом варианте осуществления изобретения вторые данные для записи могут быть переданы на магнитный элемент 1 путем выполнения этапа нагрева, описанного выше. Магнитное поле записи затем прикладывается вдоль второго направления, которое противоположно первому направлению, так, чтобы сориентировать как первую намагниченность 230 хранения, так и вторую намагниченность 250 хранения во втором направлении. После охлаждения до температуры ниже второго заранее определенного высокого температурного порога Tw2 и в отсутствие магнитного поля записи (равновесие) намагниченность 210 считывания ориентирована антипараллельно первой и второй намагниченности 230, 250 хранения. Вторые сохраненные данные "1" таким образом соответствуют магнитному элементу 2, имеющему второй уровень состояния (см. Фиг.2b).
В другом варианте осуществления изобретения передача третьих данных для записи выполняется следующим образом:
нагрев магнитного элемента 2 до/при температуре выше первого заранее определенного высокого температурного порога Tw1 так, чтобы освободить первую и вторую намагниченности 230, 250 хранения;
приложение магнитного поля записи в первом направлении так, чтобы сориентировать как первую намагниченность 230 хранения, так и вторую намагниченность 250 хранения в первом направлении в соответствии с магнитным полем записи;
охлаждение магнитного элемента 2 до/при промежуточной температуре, которая заключена ниже первого заранее определенного высокого температурного порога Tw1 и выше второго заранее определенного высокого температурного порога Tw2 так, чтобы закрепить первую намагниченность 230 хранения с помощью первого антиферромагнитного слоя 20 так, что вторая намагниченность 250 хранения может быть свободно ориентирована;
приложение магнитного поля записи во втором направлении противоположно первому направлению так, чтобы сориентировать вторую намагниченность 250 хранения во втором направлении вдоль магнитного поля записи; и
охлаждение магнитного элемента 2 до температуры, которая ниже второго заранее определенного высокого температурного порога Tw2 так, чтобы первая и вторая намагниченности 230, 250 хранения закрепились в записанном состоянии с помощью первого и второго антиферромагнитного слоя 20, 26 соответственно.
В этой последней конфигурации намагниченность 210 считывания может быть ориентирована либо в первом, либо во втором направлении, то есть параллельно или антипараллельно первой или второй намагниченности 230, 250 хранения. Третьи сохраненные данные "Х" таким образом соответствуют магнитному элементу 2, имеющему третий уровень промежуточного состояния (см. Фиг.2с).
Нагрев магнитного элемента 2 может быть выполнен путем пропускания тока нагрева (не показан) в магнитном элементе 2 через линию тока. Охлаждение магнитного элемента 2 до промежуточного температурного порога может, таким образом, быть выполнено уменьшением силы тока нагрева, и охлаждение магнитного элемента 2 до низкого температурного порога может быть достигнуто путем блокирования тока нагрева. Приложение магнитного поля записи может быть выполнено путем пропускания тока намагничивания (не показан) в линии тока.
Согласно варианту осуществления изобретения операция считывания записанной ячейки 1 MRAM включает в себя:
0
измерение значения начального сопротивления R магнитного элемента 2 с сохраненными данными;
передачу первых данных поиска "0" на слой 21 считывания и определение соответствия между первыми данными поиска и сохраненными данными; и
передачу вторых данных поиска "1" на слой 21 считывания и определение соответствия между вторыми данными поиска и сохраненными данными;
0
1
2
Измерение значения начального сопротивления Rвыполняется путем пропускания тока считывания в магнитном элементе 2 в отсутствие внешнего магнитного поля (в нулевом поле). Передача первых и вторых данных поиска "0", "1" включает в себя приложение магнитного поля считывания в первом и втором направлении соответственно так, чтобы сориентировать намагниченность считывания 210 вдоль направления магнитного поля считывания. Определение соответствия между первыми и вторыми данными поиска и сохраненными данными включает в себя измерение первого сопротивления Rсчитывания и второго сопротивления R считывания путем пропускания тока считывания в магнитном элементе 2, когда магнитное поле приложено в первом и втором направлении соответственно.
Операция считывания, описанная здесь, - это основанная на обращении к себе самой операция считывания в том смысле, что сопротивление магнитного элемента 2 измеряется для первых и вторых сохраненных данных "0", "1" (первое и второе сопротивление считывания), и использование опорной ячейки не требуется. Такая основанная на обращении к себе самой операция считывания была также описана в Европейской патентной заявке ЕР2276034 настоящим заявителем. Более того, операция считывания, описанная здесь, включает в себя определение соответствия между первыми и вторыми данными поиска и сохраненными данными, вместо просто считывания сохраненного значения "0" или "1", как в обычной операции считывания.
0
max1
max2
max1
max2
1
max1
max2
2
min1
min2
min1
min2
2
1
max1
max2
min1
min2
В случае первых сохраненных данных "0" начальное сопротивление R имеет высокое значение (R+R), которое определяется первым высоким сопротивлением (R) из-за антипараллельной ориентации намагниченности 210 считывания с первой намагниченностью 230 хранения и вторым высоким сопротивлением (R) из-за антипараллельной ориентации намагниченности 210 считывания со второй намагниченностью 250 хранения (см. Таблицу 1). Передача первых данных поиска "0" ориентирует намагниченность 210 считывания антипараллельно первой и второй намагниченности 230, 250 хранения, и измеренное значение первого сопротивления R считывания высокое (R+R). Передача вторых данных поиска "1" ориентирует намагниченность 210 считывания параллельно первой и второй намагниченности 230, 250 хранения, и измеренное значение второго сопротивления R считывания низкое (R+R), где R - первое низкое сопротивление из-за параллельной ориентации намагниченности 210 считывания с первой намагниченностью 230 хранения, и R - второе низкое сопротивление из-за параллельной ориентации намагниченности 210 считывания со второй намагниченностью 250 хранения. Здесь, разность между R и R соответствует ΔR=(R+R)-(R+R).
0
max1
max2
1
min1
min2
2
max1
max2
В случае вторых сохраненных данных "1" начальное сопротивление R имеет высокое значение (R+R). Передача первых данных поиска "0" ориентирует намагниченность 210 считывания параллельно первой и второй намагниченности 230, 250 хранения, и измеренное значение первого сопротивления R считывания низкое (R+R). Передача вторых данных поиска "1" ориентирует намагниченность 210 считывания антипараллельно первой и второй намагниченности 230, 250 хранения, и измеренное значение второго сопротивления R считывания высокое (R+R).
0
min1
max2
1
2
min1
max2
1
2
0
1
2
В случае третьих сохраненных данных "Х" начальное сопротивление R имеет промежуточное значение (R+R). Передача первых данных поиска "0" ориентирует намагниченность 210 считывания параллельно первой намагниченности 230 хранения и антипараллельно второй намагниченности 250 хранения. Передача вторых данных поиска "1" ориентирует намагниченность 210 считывания антипараллельно первой намагниченности 230 хранения и параллельно второй намагниченности 250 хранения. Измеренное значение для как первого, так и второго сопротивления R, R считывания соответствует промежуточному значению (R+R). То же самое значение первого и второго сопротивления R, R считывания для двух данных поиска "0" и "1" соответствует уровню состояния "безразличное состояние" ячейки 1 MRAM, так как выход (сопротивление считывания) нечувствителен к состоянию входа (данные поиска). Таблица 1 представляет различные значения сопротивления, измеренные для начального сопротивления R и первого, и второго сопротивления R, R считывания.
Таблица 1
Сохраненные данные
Сохраненные данные
Сохраненные данные
R<sub>0</sub> (нулевое поле)
R<sub>max1</sub>+R<sub>max2</sub>
R<sub>max1</sub>+R<sub>max2</sub>
R<sub>min1</sub>+R<sub>max2</sub>
R<sub>1</sub> (данные поиска)
R<sub>max1</sub>+R<sub>max2</sub>
R<sub>min1</sub>+R<sub>min2</sub>
R<sub>min1</sub>+R<sub>max2</sub>
R<sub>2</sub> (данные поиска)
R<sub>min1</sub>+R<sub>min2</sub>
R<sub>max1</sub>+R<sub>max2</sub>
R<sub>min1</sub>+R<sub>max2</sub>
1
2
0
0
1
2
Ячейка 1 MRAM, описанная здесь, может, таким образом, быть использована как троичная ассоциативная память. Ячейка 1 MRAM может хранить три различных уровня состояния "1", "0" и "Х" (безразличное состояние) и может использоваться как устройство соответствия, допускающее, таким образом, исполнение ячейки TCAM с существенно уменьшенным размером ячейки и ценой. Таблица 2 представляет соответствие между первыми и вторыми данными поиска и сохраненными данными. В частности, определение соответствия дополнительно включает в себя сравнение измеренных первого и второго сопротивления считывания (R, R) со значением начального сопротивления (R). Соответствие аналогично отсутствию изменений между значением начального сопротивления R и значением первого и второго сопротивления R, R считывания.
Таблица 2
Сохраненные данные
Сохраненные данные
Сохраненные данные
Данные поиска "Х" (ноль
Нет изменения (соответствие)
Нет изменения (соответствие)
Нет изменения (соответствие)
Данные поиска
Нет изменения
R<sub>2</sub> уменьшается
Нет изменения
Данные поиска
R<sub>2</sub> уменьшается
Нет изменения
Нет изменения
Дополнительное преимущество ячейки 1 MRAM в том, что во время операции записи как первый, так и второй туннельный барьерный слой 22, 24 дают вклад в нагрев магнитного элемента 2 при первом и втором заранее определенном высоком температурном пороге Tw1, Tw2. Поэтому требуемая мощность при пропускании тока нагрева для нагрева магнитного элемента 2 может быть снижена примерно в √2 раз, если сравнивать с мощностью, требуемой в обычном туннельном магнитном переходе, включающем в себя единственный туннельный барьерный слой. Это приводит к увеличенной стойкости ячейки 1 MRAM к циклам изменения напряжения во время операции записи.
Кроме того, ячейка 1 MRAM, описанная здесь, позволяет сравнивать данные поиска типа "безразличное состояние". Это может быть выполнено вторым считыванием в нулевом поле. Очевидно, это приводит к отсутствию изменения сопротивления и, таким образом, приводит к безотносительному соответствию или записанному состоянию (данные поиска "Х").
Описание ссылочных позиций и символов
1 - ячейка магнитной оперативной памяти (MRAM)
2 - магнитный элемент
20 - первый антиферромагнитный слой
21 - слой считывания
22 - первый туннельный барьерный слой
23 - первый слой хранения
24 - второй туннельный барьер
25 - второй слой хранения
26 - второй антиферромагнитный слой
210 - намагниченность считывания
230 - первая намагниченность хранения
250 - вторая намагниченность хранения
1
2
ΔR - разность между R и R
1
RA - произведение сопротивление-площадь первого перехода
2
RA - произведение сопротивление-площадь второго перехода
max1
R - значение первого высокого сопротивления
max2
R - значение второго высокого сопротивления
min1
R - значение первого низкого сопротивления
min2
R - значение второго низкого сопротивления
0
R - начальное сопротивление
1
R - первое сопротивление считывания
2
R - второе сопротивление считывания
1
TMR - первое туннельное магнитосопротивление
2
TMR - второе туннельное магнитосопротивление
Tw1 - первый заранее определенный высокий температурный порог
Tw2 - второй заранее определенный высокий температурный порог