專利名稱：在雙穩(wěn)態(tài)元件的群集狀態(tài)中對多電平存儲器進行概率性編程的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的技術領域涉及雙穩(wěn)態(tài)電阻式元件非易失性存儲器，且更具體來說涉及自 旋力矩轉移(STT)磁性隧道結(MTJ)存儲器單元。
背景技術：
STT-MTJ被視為用于下一代非易失性存儲器的有前景的技術，因為其已知的潛在特征包含快速切換、高切換循環(huán)耐久性、低功率消耗以及延長的無功率歸檔存儲。在操作中，STT-MTJ元件可通過使一個電“寫入”電流穿過其若干層而在兩個彼此相反的穩(wěn)定磁化狀態(tài)一“平行”(p)與“反平行” (AP)之間切換。假定寫入電流高于給定臨界點(CPT)，則STT-MTJ將切換到由寫入電流的方向引起的P或AP中。常規(guī)的STT-MTJ存儲器單元存儲一個位，其中P和AP狀態(tài)中的一者經指派以表示第一二進制值，例如“0”，且另一者經指派以表示第二二進制值，例如“I”。所存儲的二進制值可被讀取，因為STT-MTJ元件在P狀態(tài)中具有比AP狀態(tài)低的相對電阻。常規(guī)的STT-MTJ存儲器采用經設計和構造以注入寫入電流的寫入電路，所述寫入電流具有足夠高的量值和足夠長的持續(xù)時間以確保其將STT-MTJ元件切換到正確的P/AP狀態(tài)——具有為I的概率目標。STT-MTJ存儲器的常規(guī)設計基本原理因此是被限制于例如SRAM等常規(guī)存儲器的設計范例的“確定性”寫入，在常規(guī)存儲器中存儲器元件的切換是確定性的。然而，確定性STT-MTJ寫入的常規(guī)設計基本原理一定包含在可能的最完全程度上避免如下事實的設計規(guī)則=STT-MTJ元件不具有發(fā)生AP — P或P — AP切換的精確可重復的閾值。在圖I的仿真曲線圖100中說明此原因。所包含的仿真曲線圖102A展示STT-MTJ元件切換P/AP狀態(tài)隨著脈沖寬度t而變的實例概率，其使用高于CPT的寫入脈沖104電流電平。作為對比，圖I的仿真曲線圖102B展示STT-MTJ元件切換P/AP狀態(tài)隨著脈沖寬度t而變的概率，但其使用低于CPT的寫入脈沖106電流電平。如所說明，雖然仍以脈沖寬度為條件，但在增加的寫入電流電平下，切換概率比在較低脈沖電流電平下所見的概率更急劇地增加。因此，以常規(guī)確定性編程獲得可接受的寫入性能，意味著在無過量脈沖寬度的情況下低于給定最大位錯誤率(BER)的寫入錯誤率，通常必須大體上高于CPT的寫入電流電平。這在圖2的曲線圖200由脈沖寬度202對切換概率204進一步說明，其中仿真切換概率曲線206對應于高于臨界電平的寫入電流。點2050展示對于接近I的切換概率所需的實例脈沖持續(xù)時間。在常規(guī)確定性編程中必要的這些脈沖電流電平和持續(xù)時間消耗額外功率且花費額外時間來努力實現(xiàn)確定性切換。參見圖2，有關于此，概率曲線220對應于遠低于CPT的電流，其上的點2052展示實例讀取點。另外，常規(guī)STT-MTJ存儲器需要用于每一 STT-MTJ電阻式元件的讀取/寫入存取和控制電路。常規(guī)STT-MTJ存儲器因此需要用于每一位存儲的完整STT-MTJ存儲器單元。此外，在每一存儲器單元中，STT-MTJ元件占據(jù)面積通常占據(jù)單元面積的一小部分。將η行乘m列(下文為“η X m”)的大小的STT-MTJ陣列增加到m和η的較大值并不能消除此低效率
發(fā)明內容
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一個實施例提供一種磁性隨機存取存儲器(MRAM)多電平單元，其具有至少一個晶體管，其用于存取控制；以及N個概率性雙穩(wěn)態(tài)切換元件的群集。所述群集可具有第一群集編程電流端子和第二群集編程電流端子。在一個方面中，所述概率性雙穩(wěn)態(tài)切換元件以群集拓撲耦合，其中響應于接收到從所述第一群集編程電流端子和所述第二群集編程電流端子中的一者傳遞的編程電流，所述群集具有切換到至少Ν+1個可能的電阻率等級中的非零概率。在一個方面中，所述概率性雙穩(wěn)態(tài)切換元件可包含STT-MTJ元件。在又一方面中，概率性電流源經配置以產生所述編程電流，所述概率性電流源具有在切換區(qū)中操作所述STT-MTJ元件的特性，所述切換區(qū)不包含確定性切換區(qū)或近確定性切換區(qū)中的任一者。一個實施例提供一種用于通過雙穩(wěn)態(tài)切換元件的群集來對電阻進行編程的方法，且在一個方面中，所述方法可包含檢測所述電阻的狀態(tài)；基于所述檢測到的狀態(tài)來確定至少一個編程電流屬性；施加具有所述至少一個經確定屬性的編程電流；以及重復經過所述檢測、確定和施加，直到到達給定編程完成狀態(tài)為止。在一個方面中，根據(jù)一個實施例的編程方法可包含編程脈沖計數(shù)，S卩，重復的數(shù)目的計數(shù)，且一個編程完成狀態(tài)可為當編程脈沖計數(shù)滿足給定超時時，即，重復的數(shù)目到達等于給定重復數(shù)目的超時時，且另一編程完成狀態(tài)可為檢測到滿足給定電阻準則的所述電阻的狀態(tài)。在又一方面中，根據(jù)一個實施例的方法可包含基于所述雙穩(wěn)態(tài)切換元件的給定位錯誤率和切換特性來確定所述超時，在由所述超時表示的所述重復的數(shù)目內，雙穩(wěn)態(tài)切換元件的所述群集的所述電阻狀態(tài)與所述目標電阻之間的所述差異的概率提供不大于所述給定位錯誤率的位錯誤率。在一個方面中，編程電流屬性可包含電流方向，其可為給定前向方向、給定反向方向和/或可例如通過檢測到的電阻狀態(tài)與所述目標電阻狀態(tài)之間的差異確定的前向方向或反向。在又一方面中，根據(jù)一個實施例的方法可進一步包含基于給定編程延遲限制和所述經確定編程電流的屬性來確定所述超時，在由所述超時表示的所述重復的數(shù)目內，將導致編程延遲不大于所述給定編程延遲限制。
在一個方面中，在根據(jù)一個實施例的方法中，編程電流屬性可包含具有經優(yōu)化以到達所述目標電阻狀態(tài)的量值的單向電流。在又一方面中，可通過優(yōu)化平均所需編程重復以到達給定目標電阻狀態(tài)來優(yōu)化所述電流量值。在一個方面中，可相對于平均所需編程功率優(yōu)化所述電流量值以到達給定目標電阻狀態(tài)。在一個方面中，可相對于平均所需編程延遲優(yōu)化電流量值以到達給定目標電阻狀態(tài)。一個實施例提供一種概率性電阻式存儲器，其包含具有例如N個雙穩(wěn)態(tài)元件的電阻式元件群集，每一雙穩(wěn)態(tài)元件經配置以響應于編程電流而在至少兩個電阻狀態(tài)中的第一電阻狀態(tài)與所述至少兩個電阻狀態(tài)中的第二電阻狀態(tài)之間切換，其中切換概率由所述編程電流的至少一個參數(shù)的值確定，且可包含概率性編程控制器，其用以檢測所述電阻式元件群集的群集電阻狀態(tài)且注入編程電流經過所述電阻式元件群集，其中所述至少一個參數(shù)的所述值確定所述切換概率小于一。
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在根據(jù)一個實施例的概率性電阻式存儲器的一個方面中，所述概率性編程控制器可經配置以檢測給定終止條件的發(fā)生，且可經配置以重復檢測所述群集電阻狀態(tài)和注入所述編程電流經過所述電阻式元件群集直到檢測到所述給定終止條件為止。在一個方面中，一個給定終止條件可為給定超時值，且所述超時值可基于給定位錯誤率限制且基于由所述編程電流的所述至少一個參數(shù)確定的所述切換概率，使得當?shù)竭_所述超時值時，編程位錯誤率不大于所述給定位錯誤率限制。在一個方面中，一個終止條件可為給定超時值，且所述超時值可基于給定編程延遲限制且基于由所述編程電流的所述至少一個參數(shù)確定的所述切換概率，使得當?shù)竭_所述超時值時，編程延遲不大于所述給定編程延遲限制。一個實施例提供一種概率性電阻式存儲器，其具有雙穩(wěn)態(tài)切換元件的群集；用于通過雙穩(wěn)態(tài)切換元件的所述群集來檢測電阻的狀態(tài)的裝置；用于基于所述檢測到的狀態(tài)來確定至少一個編程電流屬性的裝置；用于根據(jù)所述至少一個經確定屬性來將編程電流施加到雙穩(wěn)態(tài)切換元件的所述群集的裝置；以及用于重復所述檢測、所述確定和所述施加直到到達給定編程完成狀態(tài)為止的裝置。


在附件中呈現(xiàn)附圖以輔助描述本發(fā)明的實施例，且僅提供附圖以用于說明實施例而不是對其進行限制。圖I展示產生STT-MTJ相對于脈沖寬度的所需切換到寫入脈沖的概率特性。圖2展示用于獲得可接受的位錯誤的常規(guī)STT-MTJ寫入脈沖振幅/持續(xù)時間參數(shù)的一個實例。圖3展示根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的一個實例概率性編程多電平STT-MTJ群集存儲器。圖4是根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的STT-MTJ群集存儲器的一個實例概率性編程的流程圖。圖5是根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的展示用于選擇和/或確認STT-MTJ群集存儲器的概率性編程的最佳STT-MTJ切換概率的一個實例過程的仿真結果。圖6展示根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的用于概率性編程STT-MTJ群集存儲器的一個混合串聯(lián)/并聯(lián)STT-MTJ群集的一個實例。圖7展示根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的用于概率性編程STT-MTJ群集存儲器的一個混合并聯(lián)/串聯(lián)STT-MTJ群集的一個實例。圖8展示根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的具有概率性編程STT-MTJ群集存儲器的一個串聯(lián)STT-MTJ群集方面的一個實例MRAM單元陣列。圖9展示根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的具有概率性編程STT-MTJ群集存儲器的一個并聯(lián)STT-MTJ群集方面的一個實例MRAM單元陣列。圖10以橫截面圖展示根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的概率性編程STT-MTJ群集存儲器的有線互連串聯(lián)STT-MTJ群集的一個實例。圖11以橫截面圖展示根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的概率性編程STT-MTJ 群集存儲器的經堆疊串聯(lián)STT-MTJ群集的一個實例。圖12以橫截面圖展示根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的概率性編程STT-MTJ群集存儲器的經對接并聯(lián)STT-MTJ群集的一個實例。圖13以橫截面圖展示根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的概率性編程STT-MTJ群集存儲器中的STT-MTJ群集的經對接并聯(lián)STT-MTJ的經堆疊結構的一個實例。圖14展示根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的一個概率性編程STT-MTJ神經陣列。圖15是根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的一個實例個人計算裝置的功能框圖。圖16是根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的實例個人計算裝置的功能框圖。
具體實施例方式本發(fā)明的各方面揭示于針對本發(fā)明的特定實施例的以下描述及相關圖式中?？稍诓幻撾x本發(fā)明的范圍的情況下設計替代實施例。此外，將不會詳細描述本發(fā)明的眾所周知的元件,或將省略所述元件，以免混淆本發(fā)明的相關細節(jié)。詞語“示范性”在本文中意味著“充當實例、例子或說明”。本文中被描述為“示范性”的任何實施例不必須被理解為比其它實施例優(yōu)選或有利。同樣，術語“本發(fā)明的實施例”并非要求本發(fā)明的所有實施例包含所論述的特征、優(yōu)點或操作模式。本文使用的術語是僅用于描述特定實施例的目的且既定不限制本發(fā)明的實施例。如在本文中所使用，除非上下文另外清楚地指示，否則希望單數(shù)形式“一”和“所述”也包含復數(shù)形式。將進一步了解，術語“包括”和/或“包含”在用于本文中時指定所陳述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但不排除一個或一個以上其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或其群組的存在或添加。此外，根據(jù)待由(例如)計算裝置的元件執(zhí)行的動作的序列來描述許多實施例。將認識到，可由特定電路(例如，專用集成電路(ASIC))、由正由一個或一個以上處理器執(zhí)行的程序指令或由兩者的組合來執(zhí)行本文中所述的各種動作。此外，可認為本文中所述的這些動作序列完全實施于任何形式的計算機可讀存儲媒體內，所述計算機可讀存儲媒體中已存儲一組對應計算機指令，所述指令在被執(zhí)行時將致使相關聯(lián)的處理器執(zhí)行本文中所述的功能性。因此，本發(fā)明的各種方面可以許多不同形式來實施，所有所述形式均被涵蓋在所主張的標的物的范圍內。此外，對于本文中所述的實施例中的每一者來說，任何所述實施例的對應形式可在本文中被描述為例如“經配置以執(zhí)行所描述的動作的邏輯”。所屬領域的技術人員將了解，可使用多種不同技術及技藝中的任一者來表示信息及信號。舉例來說，可通過電壓、電流、電磁波、磁場或磁性粒子、光場、電子自旋粒子、電子自旋或者其任何組合來表示整個以上描述中可能參考的數(shù)據(jù)、指令、命令、信息、信號、位、符號和碼片。此外，所屬領域的技術人員將了解，結合本文中所揭示的實施例而描述的各種說明性邏輯塊、模塊、電路及算法步驟可實施為電子硬件、計算機軟件或兩者的組合。為清楚說明硬件與軟件的此互換性，上文已大致關于其功能性而描述了各種說明性組件、塊、模塊、電路及步驟。所述功能性是實施為硬件還是軟件取決于特定應用及施加于整個系統(tǒng)的設計約束。所屬領域的技術人員可針對每一特定應用以不同方式來實施所描述的功能性，但所述實施方案決策不應被解釋為會導致脫離本發(fā)明的范圍。
結合本文中所揭示的實施例而描述的方法、序列及/或算法可直接包含于硬件中、由處理器執(zhí)行的軟件模塊中或兩者的組合中。軟件模塊可駐存在RAM存儲器、快閃存儲器、ROM存儲器、EPROM存儲器、EEPROM存儲器、寄存器、硬盤、可裝卸式磁盤、CD-ROM，或此項技術中已知的任一其它形式的存儲媒體中。示范性存儲媒體耦合到處理器，使得處理器可從存儲媒體讀取信息以及將信息寫入到存儲媒體。在替代方案中，存儲媒體可與處理器成一體式。因此，本發(fā)明的實施例可包含體現(xiàn)用于實施的方法的計算機可讀媒體。因此，本發(fā)明并不限于所說明的實例，且用于執(zhí)行本文中所描述的功能性的任何裝置均包含在本發(fā)明的實施例中。各種示范性實施例提供N個STT-MTJ元件的STT-MTJ群集單元，且提供每一STT-MTJ群集單元的概率性編程以在一個方面中具有至少N+1個群集電阻中的任一者，而不需要對STT-MTJ元件的個別存取。如本文中使用，術語“群集電阻”(RasT)意味著從群集到一個編程電流線(編程電流可在所述線中進入或退出所述群集)的耦合到所述群集到另一編程電流線(編程電流可從所述線退出或進入所述群集)的耦合的電阻。另外，如本文中使用，術語“群集狀態(tài)”意味著在構成群集的個別STT-MTJ元件如何采用P/AP狀態(tài)方面N個元件的STT-MTJ群集的總體P/AP狀態(tài)。“群集狀態(tài)”的此定義可能不識別N元件STT-MTJ群集內的特定STT-MTJ元件。這是可接受的，因為本發(fā)明的各種示范性實施例為單元提供多位存儲和錯誤校正存儲(無需檢測)，或對單元的個別STT-MTJ元件的P/AP狀態(tài)的控制。所屬領域的技術人員在閱讀本發(fā)明后將了解，示范性實施例提供信息以群集電阻等級形式在STT-MTJ群集中的注冊，以及通過檢測群集的電阻等級進行的檢索。描述連接拓撲的各種實例，且其它實例將在根據(jù)實施例進行實踐中變得明了。將了解，取決于群集的組成的N個雙穩(wěn)態(tài)STT-MTJ的特定連接拓撲及取決于不同的雙穩(wěn)態(tài)STT-MTJ可切換到的電阻等級之間的比例關系，所得的群集可具有從N+1到2N個不同電阻等級的任何電阻等級。作為一個實例，根據(jù)一個示范性實施例的一個群集可包括串聯(lián)連接的三個相同STT-MTJ，且這些STT-MTJ中的每一者可切換到電阻等級r或電阻等級2r。此實例群集可采用四個不同電阻等級3r、4r、5r和6r中的任一者，且因此可提供2位信息存儲。在另一實例中，根據(jù)另一示范性實施例的一個STT-MTJ群集可包括三個相同STT-MTJ，其中所述三個STT-MTJ中的兩者并聯(lián)連接且第三個STT-MTJ與前兩者的并聯(lián)布置串聯(lián)連接，且在又一個且更特定實例中，這三個STT-MTJ中的每一者可在電阻等級r與電阻等級2r之間切換。此實例STT-MTJ群集可采用以下六個不同電阻等級中的任一者9r/6、10r/6、12r/6、15r/6、16r/6和18r/6。此實例因此可提供兩位以上的信息存儲。在再一實例中，根據(jù)一個示范性實施例的一個STT-MTJ群集可包括串聯(lián)連接的三個以不同方式構造的STT-MTJ，結構上的差異使得所述三個STT-MTJ中的一者能夠在電阻等級r與電阻等級2r之間切換，所述三個STT-MTJ中的第二者能夠在電阻等級2r與電阻等級4r之間切換，且所述STT-MTJ中的第三者能夠在電阻等級4r與電阻等級Sr之間切換。根據(jù)一個示范性實施例的此實例STT-MTJ群集可采取以下8個不同電阻等級中的任一者7r、8r、9r、10r、llr、12r、13r和14r。此實例因此可提供3位信息存儲。根據(jù)示范性實施例的特定實例STT-MTJ群集和相關聯(lián)方法被描述為具有以對稱拓撲連接的N個不可區(qū)別的(在相應電阻等級方面)STT-MTJ。如所屬領域的技術人員從閱讀本發(fā)明將了解，根據(jù)示范性實施例的這些實例STT-MTJ群集在對稱拓撲中以組成的 STT-MTJ的此相對結構來實施時可表示N+1個不同的電阻等級。這些實例因此被描述為提供N+1個不同的電阻等級。所屬領域的技術人員將了解，這些描述的實例既定不將實施例限于根據(jù)對稱拓撲連接的相同電阻等級STT-MTJ。而是這些實例用來以具有較低復雜性(在形式本身及其描述兩方面)的實施形式來介紹概念，這對于其既定說明的概念并不重要。然而，所屬領域的技術人員在閱讀本發(fā)明后可容易根據(jù)其描述的實施例及其各種替代形式，使用不相同的STT-MTJ和/或不對稱拓撲的群集，通過將所屬領域的技術人員擁有的一般知識應用于所描述的概念來進行實踐。如將了解，在一個實施例中，形成一個群集的多個STT-MTJ元件全部可具有相同的(在可接受的設計和制造容限內)Rp和Rap值，且進一步可以各種群集拓撲來布置，其中一個STT-MTJ元件的P/AP狀態(tài)改變產生群集電阻的對應改變，無論哪一 STT-MTJ元件改變狀態(tài)都是如此。因此，在一個方面中，雖然存在N元件STT-MTJ群集的2n個可能狀態(tài)，但這2N個可能狀態(tài)中的每一者可落在僅N+1個可能的RasT值中的一者中。然而將了解，實施例不限于相等Rp和Rap值的STT-MTJ元件。相反，可在N元件STT-MTJ群集內采用具有明顯不同的Rp和Rap值的不同STT-MTJ元件來實踐示范性實施例。將了解，除了明確陳述或從上下文顯而易見的情況外，參考從P和AP狀態(tài)中的一者切換到另一者而描述的操作相對于概念來說將是相同的(如果參考相反的切換來描述)。在一個一般實施例中，N元件STT-MTJ群集單元可經配置以提供N+1電平存儲，其可通過概率性編程而編程到N+1個電平中的任一者中，如后面的部分更詳細描述。在一個方面中，所述N+1個電平可提供M位信息的存儲，其中M是Log2 (N+1)，而不需要對個別STT-MTJ元件狀態(tài)的控制。在另一方面中，所述N+1個電平可提供錯誤校正單元(ECC)，其無論是否具有非切換STT-MTJ元件都將充當一位二進制存儲。根據(jù)一個一般實施例的又一方面將由N元件STT-MTJ群集單元存儲的位數(shù)目M指派為小于Log2 (N+1)，從而獲得多位存儲和ECC存儲，如后面的部分更詳細描述。
在一個一般實施例中，N元件STT-MTJ群集的概率性編程通過接收待存儲的數(shù)據(jù)且隨后確定(例如，通過查找表)表示所述數(shù)據(jù)的RasT值而開始。所述RasT值可稱為“目標RaST值”。在一個方面中，概率性編程讀取N元件STT-MTJ群集的當前狀態(tài)且確定其當前Rclst值是否高于或低于目標RaST值。如果當前RaST值高于目標RaST，那么由于Rap大于RP，因此N元件STT-MTJ群集的過多數(shù)目的STT-MTJ元件處于AP狀態(tài)(或者，過少STT-MTJ元件處于P狀態(tài))。作為響應，概率性編程向N元件STT-MTJ群集中注入具有特定設定的參數(shù)的編程電流。所述參數(shù)(統(tǒng)稱為“PM”)經特定設定以使得存在于AP狀態(tài)中的每個STT-MTJ元件將具有切換到P狀態(tài)的概率Pmu (PM)。在一個方面中，當將編程電流注入到N元件群集中時，當前處于AP狀態(tài)中的每個STT-MTJ元件將具有相同的(或具有在相同附近的適當較窄的統(tǒng)計擴展)切換到P狀態(tài)的概率Pra(PM)。實例參數(shù)PM在一個方面中可表征脈沖形狀或脈沖屬性，例如電流脈沖長度，或者稱為電流長度或脈沖寬度，和/或可表征脈沖極性。在又一方面中，實例參數(shù)PM可表征電流模擬斜坡或電流數(shù)字斜坡，其界定例如模擬斜坡屬性或數(shù)字斜坡屬性，例如斜坡斜率、斜坡量值和/或斜坡極性。將了解，這些經識別的寫入電流脈沖和斜坡形狀以及用于設定和 調整每一者的對應參數(shù)PM的實例僅用于說明的目的。例如根據(jù)至少一個模擬波形屬性和/或至少一個數(shù)字波形屬性來界定模擬波形或數(shù)字波形的其它編程電流形狀和其它編程電流參數(shù)是預期的。在根據(jù)示范性實施例的概率性編程中，上述第一重復(即，編程電流的第一注入)的可能結果是一些STT-MTJ元件將從AP狀態(tài)切換到P狀態(tài)。將了解，將切換的STT-MTJ元件的實際量是未知的。而是僅已知可能的量。為了確定在每一重復之后切換的STT-MTJ元件的實際量，因此讀取經更新的RasT值。如果經更新的RasT值仍高于目標RasT值，那么可在與第一注入相同的方向上注入另一編程電流脈沖。另一方面，如果經更新的RasT值低于目標RasT值，那么可在與第一注入相反的方向上注入另一編程電流脈沖。在一個方面中，可針對第二注入改變編程電流參數(shù)中的一者或一者以上，以改變概率PM 。舉例來說，在此方面中，如果經更新的RasT值僅高于目標RasT值一個增量(意味著僅一個STT-MTJ元件需要改變狀態(tài))，那么可減小第二編程電流脈沖的持續(xù)時間或振幅。這可減小第二脈沖將處于AP狀態(tài)的STT-MTJ元件中的一者以上切換到P狀態(tài)進而必須進行額外重復的概率。容易了解，此額外重復將在相反方向上的編程電流的情況下完成。在另一方面中，編程電流參數(shù)可經選擇為至少在給定的設計和制造容限內針對第二編程脈沖具有相同的切換概率PM 。在每一重復之后不改變編程電流參數(shù)的此方面中，優(yōu)選可先驗地優(yōu)化值PMTJ以使這些重復的數(shù)目(下文中為“脈沖計數(shù)”(PC))最小。從本發(fā)明將了解，如果編程電流參數(shù)導致過高的Pmu，那么結果可為“過沖”目標!^⑵值的不合意的高速率。舉例來說，在經更新的R^st值在目標RasT值的一個或兩個增量內的情況下，過高的Psw可能過于經常地致使STT-MTJ元件中的一者或兩者以上進行切換。隨后將需要另一校正重復，其具有相反方向編程電流。還將存在額外的重復再次切換過多的STT-MTJ元件的概率。由此，如果編程電流參數(shù)導致過低的Pmtp那么結果可能是對于RasT收斂于目標值所需的不合意的較大PC。在后面的部分更詳細描述用于優(yōu)化Pmti以使PC最小的實例過程和技術。圖3展示根據(jù)一個或一個以上示范性實施例的N元件STT-MTJ群集單元300的一個實例。在一個方面中，N元件STT-MTJ群集單元300可包含N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302，其包括一串N個STT-MTJ元件302-1、302-2...302-Ν。在后面的部分更詳細描述的另一方面中，N元件STT-MTJ群集單元300可包含N元件STT-MTJ并聯(lián)群集350，其包括N個STT-MTJ元件352-1、352-2...352-N的并聯(lián)布置，其形成點350A與350B之間的可編程電阻?，F(xiàn)在參見采用N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302的方面，N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302在一個末端302A處耦合到讀取/寫入電流(BL)線304，且在其另一末端302B處經由啟用開關306耦合到另一讀取/寫入電流(SL)線308。將了解，BL 304和SL 308可延伸且耦合到可與圖3的實例N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302相同的多個額外STT-MTJ群集(未圖示)中的每一者。BL線304和SL線3 08可符合常規(guī)n x m陣列STT-MTJ存儲器位線和源極線方式。同樣，啟用開關306可符合常規(guī)η X m陣列STT-MTJ存儲器字啟用開關方式。還將了解，BL線304、SL線308以及啟用開關可分別不同于常規(guī)位線、源極線和字晶體管。繼續(xù)參見圖3，如下文更詳細描述的由概率性編程(PPG)控制器單元312控制的概率性編程電流(PGC)源310耦合到BL線304和SL線308。N+1電平電壓檢測器314可具有經由讀取啟用開關316耦合到BL線304的感測輸入314A，耦合到M位/N+1電平轉換器318的感測輸入314B。M位數(shù)據(jù)/N+1電平轉換器318可將M位數(shù)據(jù)轉換為N+1電平目標電阻電壓信號Vas/TCT。N+1電平轉換器318可將比較(CP)信號提供到PPG控制器312。將了解，N+1電平電壓檢測器314可包含讀取電流源(未明確圖示)以經由BL源極線304注入讀取電流通過N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302。關于N+1電平電壓檢測器314的特定結構，應用多電平電壓檢測器的一般知識的所屬領域的技術人員鑒于本發(fā)明可容易地選擇和實施執(zhí)行其所描述功能的各種裝置。因此省略另外的詳細描述。還將了解，例如概率性編程控制器312等所描繪的塊是功能塊，其為了描述實例過程的目的而展示為分離的，且不一定代表任何硬件布置或分段。舉例來說，PPG控制器312的所描述功能(例如，超時計數(shù)器320)可嵌入于且分布于實施其它所描繪功能的各種裝置中，例如PGC源310或N+1電平電壓檢測器314。在一個方面中，如后面的部分將更詳細描述，PPG控制器312可控制PGC源310以注入概率性編程電流I卜#或IAP —P經過N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302，且在進一步前進之前，PPG控制器312可從N+1電壓電平檢測器314接收比較信號CP。根據(jù)比較信號CP，PPG控制器312可識別N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302的群集狀態(tài)是處于、高于還是低于對應于對M位/N+1電平轉換器318的M位數(shù)據(jù)輸入的目標群集狀態(tài)。PPG控制器312可在CP信號指示N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302處于目標群集狀態(tài)的情況下確定編程完成。在另一方面中，PPG控制器312控制PGC源310 (以及啟用開關306和讀取啟用開關316)以作為重復或循環(huán)而重復注入編程電流IP — AP或ΙΑΡ — Ρ經過N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302，檢測所引起的N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302相對于目標群集狀態(tài)的所得或經更新群集狀態(tài)，且重復循環(huán)直到檢測到編程完成條件，或者在本文稱為終止條件。如先前描述，一個終止條件是N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302處于目標群集狀態(tài)。在一個方面中，PGC控制器312可包含超時計數(shù)器320以將重復計數(shù)為運行脈沖計數(shù)(PC)，且終止條件是PC到達給定超時值。在一個方面中，超時值可為所需最大位錯誤率(BER)或N和對應于所選參數(shù)值PM的Pmti的值的函數(shù)。所屬領域的技術人員根據(jù)本發(fā)明將容易了解，所述函數(shù)可通過仿真或例如經驗方式來獲得。在另一方面中，超時值可經設定以將PPG延遲保持在最大編程延遲以內。根據(jù)各種示范性實施例，PPG控制器312和PGC源310中的一者或兩者經配置以注入概率性編程電流Ip — Ap或IAP — P，其中電流參數(shù)PM(例如，脈沖振幅、脈沖長度或其它波形參數(shù))經設定以產生經優(yōu)化Pmti=PmtIP在一個方面中，通過在后面的部分更詳細描述的裝置和過程來確定PMT,OT，其提供N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302到達目標群集狀態(tài)的最小平均PC。如先前描述且所屬領域的技術人員根據(jù)本發(fā)明將了解，如果I卜 和ΙΑΡ — Ρ的參數(shù)建立過高的Pmtp那么雖然可快速地實現(xiàn)較大群集狀態(tài)改變(例如，將所有STT-MTJ元件從P和AP狀態(tài)中的一者切換到P和AP狀 態(tài)中的另一者)，但是較小群集狀態(tài)改變可能難以實現(xiàn)。在后面的部分更詳細描述I卜#和ΙΑΡ — Ρ的替代參數(shù)以及控制這些參數(shù)的方面。參見圖3，為了將描述聚焦于實施例而不引入對概念并非特定的不必要的復雜性，Rap和Rp的默認關系將是Rap為兩倍的RP，即，Rap=2Rp。如所述，Rap=2Rp的此實例關系僅用于聚焦此描述，且不限制任何實施例的范圍。相反，在閱讀本發(fā)明后，所屬領域的技術人員可容易調整所描述的概念以使用Rap與Rp之間的其它比例關系來實踐示范性實施例。根據(jù)圖3的N元件STT-MTJ群集單元300的一個實例裝置可使用N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302三的3元件STT-MTJ串聯(lián)群集實施方案來實施4電平2位存儲器單元。在此實例中，假定如上所述Rap=2Rp，則最小RasT將為3RP且將在全部三個STT-MTJ元件處于P狀態(tài)(將稱為“S0群集狀態(tài)”)時發(fā)生，且最大RasT將為6RP且將在全部三個STT-MTJ元件處于AP狀態(tài)(將稱為“S3群集狀態(tài)”)時發(fā)生。容易了解，對應于SO群集狀態(tài)的最小Uf為3RP，且由S3群集狀態(tài)表示的RasT將為6RP。SO群集狀態(tài)可經指派以表示二進制“00”，且S3群集狀態(tài)可經指派以表示二進制“11”?！癝I群集狀態(tài)”可經界定為三個STT-MTJ元件中的一者處于AP狀態(tài)同時其余兩者處于P狀態(tài)的任何群集狀態(tài)。SI群集狀態(tài)可經指派以表示二進制“01”。對應于SI群集狀態(tài)的R^st (假定如先前描述Rap=2Rp)因此將為4RP。最后，“S2群集狀態(tài)”可經界定為三個STT-MTJ元件中的兩者處于AP狀態(tài)同時其余一者處于P狀態(tài)的任何群集狀態(tài)。S2群集狀態(tài)可經指派以表示二進制“10”。對應于S2群集狀態(tài)的U再次如先前描述假定Rap=2Rp)將為5RP。將了解，群集狀態(tài)(例如，S0、SL···)與M位二進制值之間的關聯(lián)不限于為直接的，如以上描述的實例中那樣。為了說明，群集狀態(tài)SO可經指派以表示二進制“10”，而群集狀態(tài)S3可經指派以表示二進制“00”。將參考圖4且在本發(fā)明中的其它地方描述根據(jù)示范性實施例的N位STT-MTJ群集單元的概率性編程的實例過程，所述群集單元包含上述實例4電平2位存儲器單元。所屬領域的技術人員根據(jù)本發(fā)明將了解，由圖3的N元件STT-MTJ群集單元300的上述配置提供的4電平2位存儲器單元可經配置以提供兩位存儲而不需要對形成所述群集的3個STT-MTJ元件的個別存取?？墒褂美缛齻€STT-MTJ元件的相同的實例STT-MTJ串聯(lián)群集302拓撲的根據(jù)圖3的N元件STT-MTJ群集單元300的另一實例裝置將實施4電平I位錯誤校正單元(ECC)。在此4電平STT-MTJ ECC單元實例中，如上所述，3RP的最小RasT將在全部三個STT-MTJ元件處于P狀態(tài)時發(fā)生，且同樣地，6RP的最大RasT將在全部三個STT-MTJ元件處于AP狀態(tài)時發(fā)生。但在此實例4電平I位STT-MTJ ECC單元中，SO群集狀態(tài)和SI群集狀態(tài)兩者可經指派以表示“0”，且S2和S3群集狀態(tài)兩者可經指派以表示“I”。
可容易了解，上述實例的4電平I位ECC STT-MTJ群集的適當起作用需要其三個STT-MTJ元件中的僅兩者正確地切換。此外，如果全部三個STT-MTJ元件正確地切換，那么在N+1電平電壓檢測器314檢測到SO群集狀態(tài)和SI群集狀態(tài)中的任一者的時刻完成“O”的存儲，在N+1電平電壓檢測器314檢測到S2群集狀態(tài)和S3群集狀態(tài)中的任一者后即刻完成“I”的存儲。將了解，根據(jù)示范性實施例的用于多電平I位ECC STT-MTJ群集單元的N+1電平電壓檢測器314可為用于常規(guī)STT-MTJ存儲器讀取的常規(guī)二進制比較器。仍參見圖3，所描繪的上文參考N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302描述的實例操作采用串聯(lián)群集拓撲。然而，串聯(lián)拓撲僅是用于根據(jù)示范性實施例的多電平STT-MTJ群集的一個實例。所描繪的N元件STT-MTJ并聯(lián)群集350 (啟用了到SL線308的啟用開關354)是替代的STT-MTJ群集拓撲的一個實例。N元件STT-MTJ并聯(lián)群集350包含N個STT-MTJ元件，個別地標記為352-1、352-2…352-N，其通過根據(jù)示范性實施例的重復編程可建立N+1個電平中的任一者，即，點350A與350B之間的N+1個群集電阻值。在一個方面中，N元件STT-MTJ并聯(lián)群集350可代替圖3的多電平STT-MTJ群集單元300中的N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302。在另一方面中，N元件STT-MTJ并聯(lián)群集350可與N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302組合使用。在閱讀整個本發(fā)明后，所屬領域的技術人員通過將N元件STT-MTJ并聯(lián)群 集350的概率性編程與N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302的概率性編程進行比較將了解，關于相對于時間的RasT或相對于脈沖計數(shù)的RasT可展現(xiàn)差異。舉例來說，當將N元件STT-MTJ并聯(lián)群集350從全P和全AP狀態(tài)中的一者概率性編程到全P和全AP狀態(tài)中的另一者時展現(xiàn)的相對于時間的RasT或相對于脈沖計數(shù)的RaST在與N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302的類似概率性編程期間展現(xiàn)的相對于時間的RasT或相對于脈沖計數(shù)的RasT相比時可存在差異。在后面的部分將更詳細描述這些特性。圖4是根據(jù)本發(fā)明的各種示范性實施例的用于STT-MTJ群集存儲器的一個實例概率性編程400的流程圖。為了說明概念，將參考圖3的實例N元件STT-MTJ群集單元300描述根據(jù)圖4的實例400的過程。如將了解，這僅用于實例目的，且不是對其中可實踐根據(jù)各種示范性實施例的概率性編程的STT-MTJ群集拓撲的范圍的任何限制。所屬領域的技術人員根據(jù)本發(fā)明將了解，圖4的實例概率性編程400是重復的，且完成編程所需的確切循環(huán)或重復數(shù)目可能未知。因此，根據(jù)各種實施例對STT-MTJ群集進行編程可替代地稱為例如“重復編程”、“概率性編程”或由于STT-MTJ群集的每一 STT-MTJ元件的切換是概率性的而稱為“概率性切換”。為了簡明，本描述使用術語“概率性編程”，但將了解，此術語本身不對各種實施例中的任一者的范圍或實施例的任一方面施加任何限制。此外，所屬領域的技術人員根據(jù)本發(fā)明將了解，雖然相對于完成編程所需的確切循環(huán)或重復數(shù)目是“概率性”的，但根據(jù)示范性實施例的概率性編程推動了 STT-MTJ群集狀態(tài)收斂于任何所需的編程終點。將了解，收斂的統(tǒng)計可例如通過使用特定寫入電流參數(shù)對STT-MTJ群集的特定結構的電路分析(例如，仿真模型)來表征。所述表征可針對某一范圍的編程條件(例如，某一范圍的寫入電流參數(shù))來獲得。通過STT-MTJ群集收斂的此表征，可獲得用于退出概率性編程的超時(time-out)，所述超時是一個重復計數(shù)，當?shù)竭_所述重復計數(shù)時意味著正在編程的位的統(tǒng)計概率正確地滿足給定錯誤率。根據(jù)STT-MTJ群集的收斂的統(tǒng)計的表征確定的超時接著可用來將最大位錯誤率限制于對編程條件特定的已知值。另外，所述超時可用來將最大編程延遲限制于對編程條件特定的已知值。在后面的部分更詳細描述的一個方面中，可通過例如對寫入電流參數(shù)的選擇獲得N元件STT-MTJ群集的群集狀態(tài)收斂的統(tǒng)計的優(yōu)化，其可使確保滿足給定錯誤率所需的超時最小化?，F(xiàn)在參見圖4，實例概率性編程400可從初始狀態(tài)402開始。初始狀態(tài)402可例如為根據(jù)示范性實施例的N元件STT-MTJ群集的任意群集狀態(tài)，其具有與所述群集狀態(tài)相關聯(lián)的任何RcST。在一個方面中，所述初始狀態(tài)包含或假定將PC超時計數(shù)器320復位到零(或在PC超時計數(shù)器320經配置為遞減計數(shù)器的情況下復位到最大計數(shù))。作為說明，在上述實例4電平3位串聯(lián)STT-MTJ存儲器上執(zhí)行實例概率性編程400時，初始狀態(tài)可為SI狀態(tài)，其中三個STT-MTJ元件中的一者處于AP狀態(tài)，且其余兩者處于P狀態(tài)。使用先前描述的Rp與Rap的實例關系，群集狀態(tài)SI的Rot為4RP。在404處接收到待寫入的值后，過程到達406，其中執(zhí)行對STT-MTJ群集350的讀取?？赏ㄟ^PGC電流源310將讀取電流注入經過STT-MTJ群集300且將例如點302A和302B中的一者處的電壓與參考電壓(未圖示)進行比較來提供406處的讀取。參見圖3的實例N元件STT-MTJ群集300，可通過N+1電平電壓檢測器314注入適當?shù)淖x取電流且隨后將所得電壓與由M位數(shù)據(jù)/N+1電平轉換器318產生的編程目標電壓進行比較來執(zhí)行406處的讀取。

相對于上述406處的讀取，將了解，將例如點302A和302B中的一者的讀取電壓與參考電壓進行比較僅是檢測N元件STT-MTJ群集的群集狀態(tài)的一個實例。在根據(jù)示范性實施例的一個替代例中，可提供模/數(shù)轉換器(未圖示)以將群集處的電壓轉換到數(shù)字值，且隨后將所述數(shù)字值與目標M位數(shù)據(jù)進行比較。此外，在一個方面中，群集狀態(tài)的讀取/感測可與下文更詳細描述的在414處施加編程電流同時執(zhí)行，而不是需要例如406處的單獨步驟。使用此同時讀取/寫入方面的根據(jù)示范性實施例的概率性編程可在延遲和功率方面減少編程開銷。所屬領域的技術人員根據(jù)本發(fā)明陳述的概念將能夠容易地識別和實施所描述實例的必要修改以使用同時讀取/寫入方面根據(jù)示范性實施例進行實踐。繼續(xù)參考圖4，在406處的讀取之后，實例概率性編程400到達空退出決策框408，其將406處的讀取與空差異準則或其它給定準則進行比較，下文描述所述準則的實例。如果空退出決策框408指示“是”，那么過程通過到達寫入完成框410且隨后返回到初始狀態(tài)402而終止。在一個方面中，由空退出決策框408應用的空差異準則可為群集狀態(tài)處于目標群集狀態(tài)。在另一方面中，空差異準則可經界定為群集狀態(tài)處于目標群集狀態(tài)的給定距離以內。舉例來說，將目標群集狀態(tài)表征為給定電阻值，用于空退出決策框408的給定準則可為相對于給定電阻值的電阻范圍。另外，取決于設計選擇和特定應用，寫入完成框410可包含控制器，例如圖3的實例概率性編程控制器312，其產生“寫入完成”或“編程完成”信號(未圖示)，所述信號可由例如與剛完成的寫入操作相關聯(lián)的另一處理資源(未圖示)利用。如將了解，進入空退出決策框408的第一實例處的“是”的一種情況可為N元件STT-MTJ群集已經處于表示待寫入數(shù)據(jù)的狀態(tài)。繼續(xù)參考圖4，如果空退出決策框408指示“否”，那么實例概率性編程400可到達超時退出決策框412，其中將超時計數(shù)器值“PC_P”與給定超時“PCTMTOT”進行比較。根據(jù)圖4的概率性編程400的即時實例從初始狀態(tài)框402開始，且因此在框412處將不會同樣地超時。在后續(xù)循環(huán)或重復中，如果超時退出決策框412指示“是”,意味著PCuxff滿足相對于PCtmout的給定關系準則(例如，大于、大于或等于)，那么過程通過到達寫入完成框410且返回到初始狀態(tài)402而終止。取決于設計選擇和特定應用，寫入完成框410可包含響應于來自超時退出決策框412而不是空退出決策框408的輸入，例如圖3的實例概率性編程控制器312的控制器產生寫入超時信號(未圖示)而不是先前描述的寫入完成或編程完成信號。預期寫入超時信號或等效物可例如用來重復已超時的寫入操作。進一步預期，寫入超時信號或等效物可例如用來設定旗標位(未圖示)，所述旗標位指示編程操作已到達目標狀態(tài)，進而允許額外的錯誤處置程序。仍參見圖4，如果超時退出決策框412指示“否”，那么過程到達414以施加或注入第一或(在即時循環(huán)是重復循環(huán)的情況下)另一適當編程電流脈沖，且隨后到達416且遞增PCux^框414可通過例如PPG控制器312控制PGC源310和啟用開關306中的一者或兩者來執(zhí)行。在一個方面中，框414施加I卜#和IAP —p，其中參數(shù)(例如，電流脈沖振幅和電流脈沖持續(xù)時間)經先驗地優(yōu)化以要求群集狀態(tài)的最低平均PC在狀態(tài)轉變的整個范圍上收斂于目標群集狀態(tài)。在另一方面中，框414可包含PGC源310和PPG控制器312中的一者或兩者經由例如查找表(未圖示)而經配置以根據(jù)在框408處執(zhí)行的比較來調整IP — AP或IAP —P的一個或一個以上參數(shù)(且因此，即時重復的Pmu)。在框414處施加IP —41)和IAP — P 且在416處增加PC之后，概率性編程400到達框406以獲得群集狀態(tài)的經更新讀取，且重復所描繪且上文描述的循環(huán)直到在決策框408和412中的一者處檢測到終止條件為止。現(xiàn)在將描述用于選擇最佳Pmti的實例過程和技術。所屬領域的技術人員根據(jù)本發(fā)明將了解，一旦選定最佳Pmtp則可例如使用STT-MTJ元件的Pmti的特性相對于編程電流的參數(shù)的仿真來確定這些參數(shù)。首先，現(xiàn)在將界定用于描述用于優(yōu)化Pmti的實例過程和技術的術語。將了解，這些術語自身是僅具有本文界定的意義的符號且不具有固有意義，且除非另外陳述，否則既定不參考或并入出現(xiàn)在本描述之外的任何相同或類似術語。變量N是正在編程的STT-MTJ群集中的STT-MTJ元件的量。參見圖3的實例多電平STT-MTJ群集單元300的串聯(lián)N元件STT-MTJ群集302，N為值N。變量λ是針對群集狀態(tài)轉變將切換的STT-MTJ元件的量。舉例來說，在根據(jù)圖3的實例N元件STT-MTJ串聯(lián)群集302布置的上述實例4電平3位串聯(lián)STT-MTJ存儲器中，從SO群集狀態(tài)(全部三個STT-MTJ元件處于P狀態(tài))切換到S2群集狀態(tài)(三個STT-MTJ元件中的兩者處于AP狀態(tài))需要兩個STT-MTJ元件從P狀態(tài)切換到AP狀態(tài)。所述實例中的λ值因此將為二。將了解，“ λ =Ν”表示需要切換群集中的所有STT-MTJ的群集狀態(tài)轉變。所屬領域的技術人員根據(jù)本發(fā)明將容易了解，如果Pmu較小，那么在收斂于目標群集狀態(tài)所需的平均PC方面，最差情況狀態(tài)轉變是λ = N，S卩，需要切換STT-MTJ群集中的所有STT-MTJ元件的那些狀態(tài)轉變。所屬領域的技術人員將同樣了解，如果Psw較大，那么最差情況狀態(tài)轉變是λ =1，S卩，需要切換STT-MTJ群集中的僅一個STT-MTJ元件的那些狀態(tài)轉變。現(xiàn)在將定義額外術語。ρτ是在施加具有所選振幅和脈沖寬度τ的編程脈沖后STT-MTJ的切換概率。是用于需要切換λ個STT-MTJ的那些狀態(tài)轉變的編程重復(即，PC)的平均數(shù)目。
表示用于需要切換λ個STT-MTJ的那些狀態(tài)轉變的平均編程時間(延遲)。對于N = I，僅單個STT-MTJ的情況，上述概率性編程的平均編程重復和延遲可表示如下
權利要求
1.一種磁性隨機存取存儲器MRAM多電平單元，其包括 至少一個晶體管，其用于存取控制；以及 N個概率性雙穩(wěn)態(tài)切換元件的群集，所述群集具有第一群集編程電流端子和第二群集編程電流端子，所述概率性雙穩(wěn)態(tài)切換元件以群集拓撲耦合，其中響應于接收到從所述第一群集編程電流端子和所述第二群集編程電流端子中的一者傳遞的編程電流，所述群集具有切換到至少N+1個可能的電阻率等級中的非零概率。
2.根據(jù)權利要求I所述的MRAM，其中所述群集拓撲包含串聯(lián)耦合的多個STT-MTJ元件。
3.根據(jù)權利要求I所述的MRAM，其中所述群集拓撲包含并聯(lián)耦合的多個STT-MTJ元件。
4.根據(jù)權利要求I所述的MRAM，其中概率性雙穩(wěn)態(tài)切換元件包含STT-MTJ元件，其中所述MRAM進一步包括用以產生所述編程電流的概率性電流源，所述概率性電流源具有在切換區(qū)中操作所述STT-MTJ元件的特性，所述切換區(qū)不包含確定性切換區(qū)或近確定性切換區(qū)中的任一者。
5.根據(jù)權利要求I所述的MRAM，其中所述N個概率性雙穩(wěn)態(tài)切換元件的群集使所述至少N+1個可能的電阻率等級中的多者與第一二進制值相關聯(lián)，且使所述至少N+1個可能的電阻率等級中的多者與第二二進制值相關聯(lián)，以用于錯誤校正、錯誤容限、產量改善和增加的編程速度中的至少一者。
6.根據(jù)權利要求I所述的MRAM，其中所述MRAM集成在至少一個半導體裸片中。
7.根據(jù)權利要求6所述的MRAM，其進一步包括選自由以下各項組成的群組的裝置機頂盒、音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、導航裝置、通信裝置、個人數(shù)字助理PDA、固定位置數(shù)據(jù)單元和計算機，所述MRAM集成到所述裝置中。
8.—種通過雙穩(wěn)態(tài)切換元件的群集來對電阻進行編程的方法，其包括 通過所述雙穩(wěn)態(tài)切換元件的群集來檢測所述電阻的狀態(tài)； 基于所述檢測到的狀態(tài)來確定至少一個編程電流屬性； 施加具有所述至少一個經確定編程電流屬性的編程電流；以及 重復以上步驟，直到到達給定編程完成狀態(tài)為止。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其進一步包括對重復所述以上步驟的重復數(shù)目進行計數(shù)，且其中一個編程完成狀態(tài)是等于所述重復的給定數(shù)目的超時。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中一個編程完成狀態(tài)是所述檢測到滿足給定電阻值的所述電阻的狀態(tài)。
11.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中重復所述以上步驟在時間上同時地執(zhí)行所述步驟。
12.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中重復所述以上步驟在時間上循序地執(zhí)行所述步驟。
13.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中重復所述以上步驟在時間上是連續(xù)的。
14.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中重復所述以上步驟在時間上是離散的。
15.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述至少一個編程電流屬性包含電流方向。
16.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述至少一個編程電流屬性包含電流量值。
17.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述至少一個編程電流屬性包含電流脈沖長度。
18.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述至少一個編程電流屬性包含模擬波形屬性。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中至少一個模擬波形屬性是模擬斜坡屬性。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其進一步包括檢測所述電阻的所述檢測到的狀態(tài)與目標電阻狀態(tài)之間的差異，其中所述模擬斜坡屬性由所述檢測到的差異確定。
21.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述至少一個編程電流屬性包含數(shù)字波形屬性。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中至少一個數(shù)字波形屬性是數(shù)字斜坡屬性。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法，其進一步包括檢測所述電阻的所述檢測到的狀態(tài)與目標電阻狀態(tài)之間的差異，其中所述數(shù)字斜坡屬性由所述差異確定。
24.根據(jù)權利要求8所述的方法，其進一步包括對重復所述以上步驟的重復數(shù)目進行計數(shù)，且其中一個編程完成狀態(tài)是所述重復數(shù)目到達給定超時，且另一編程完成狀態(tài)是檢測到滿足給定電阻值的所述電阻的狀態(tài)。
25.根據(jù)權利要求24所述的方法，其中所述方法進一步包括檢測所述電阻的所述檢測到的狀態(tài)與目標電阻狀態(tài)之間的差異，且其中所述方法進一步包括基于所述雙穩(wěn)態(tài)切換元件的給定位錯誤率和切換特性來確定所述超時，在由所述給定超時表示的所述重復數(shù)目內，所述雙穩(wěn)態(tài)切換元件的所述群集的所述電阻狀態(tài)與所述目標電阻狀態(tài)之間的所述差異的概率提供不大于所述給定位錯誤率的位錯誤率。
26.根據(jù)權利要求24所述的方法，其進一步包括基于給定編程延遲限制和所述經確定編程電流屬性來確定所述超時，所述超時在由所述給定超時表示的所述重復數(shù)目內將導致編程延遲不大于所述給定編程延遲限制。
27.根據(jù)權利要求24所述的方法，其中所述至少一個編程電流屬性包含具有經優(yōu)化以到達所述目標電阻狀態(tài)的量值的單向電流。
28.根據(jù)權利要求27所述的方法，其進一步包括檢測所述電阻的所述檢測到的狀態(tài)與目標電阻狀態(tài)之間的差異，其中所述電流方向由所述差異確定。
29.根據(jù)權利要求27所述的方法，其進一步包括通過優(yōu)化平均所需的編程重復以到達給定目標電阻狀態(tài)來確定所述電流量值。
30.根據(jù)權利要求27所述的方法，其進一步包括通過相對于平均所需編程功率優(yōu)化所述電流量值以到達給定目標電阻狀態(tài)來確定所述電流量值。
31.根據(jù)權利要求27所述的方法，其進一步包括通過相對于平均所需編程延遲優(yōu)化所述電流量值以到達給定目標電阻狀態(tài)來確定所述電流量值。
32.根據(jù)權利要求27所述的方法，其中所述編程電流是具有電流脈沖長度的脈沖，且其中所述方法進一步包括通過相對于平均所需的編程重復優(yōu)化所述電流脈沖長度以到達給定目標電阻狀態(tài)來確定所述電流脈沖長度。
33.根據(jù)權利要求24所述的方法，其中所述編程電流是具有電流脈沖長度的脈沖，且其中所述方法進一步包括通過相對于平均所需的編程功率優(yōu)化所述電流脈沖長度以到達給定目標電阻狀態(tài)來確定所述電流脈沖長度。
34.一種用以存儲數(shù)據(jù)的概率性電阻式存儲器，其包括 具有雙穩(wěn)態(tài)元件的電阻式元件群集，每一雙穩(wěn)態(tài)元件經配置以響應于具有至少一個參數(shù)的編程電流而在至少兩個電阻狀態(tài)中的第一電阻狀態(tài)與所述至少兩個電阻狀態(tài)中的第二電阻狀態(tài)之間切換，其中切換概率由所述編程電流的至少一個參數(shù)的值確定；以及 概率性編程控制器，其用以檢測所述電阻式元件群集的群集電阻狀態(tài)且注入編程電流經過所述電阻式元件群集，其中所述至少一個參數(shù)的所述值確定所述切換概率小于一。
35.根據(jù)權利要求34所述的概率性電阻式存儲器，其中所述電阻式元件群集具有N個雙穩(wěn)態(tài)元件，所述數(shù)據(jù)是M位數(shù)據(jù)，M至少為二，且其中N至少為三。
36.根據(jù)權利要求34所述的概率性電阻式存儲器，其中所述雙穩(wěn)態(tài)切換元件經配置以響應于給定前向方向上的編程電流而從所述第一電阻狀態(tài)切換到所述第二電阻狀態(tài)，且響應于與所述給定前向方向相反的給定反向方向上的編程電流而從所述第二電阻狀態(tài)切換到所述第一電阻狀態(tài)。
37.根據(jù)權利要求36所述的概率性電阻式存儲器，其中所述概率性編程控制器經配置以將所述群集電阻狀態(tài)與對應于所述數(shù)據(jù)的目標電阻狀態(tài)進行比較，響應于所述群集電阻狀態(tài)低于所述目標電阻狀態(tài)而在所述前向方向上注入所述編程電流，且響應于所述群集電阻狀態(tài)高于所述目標電阻狀態(tài)而在所述給定反向方向上注入所述編程電流。
38.根據(jù)權利要求37所述的概率性電阻式存儲器，其中所述概率性編程控制器經配置以檢測給定終止條件的發(fā)生，且其中所述概率性編程控制器經配置以重復所述檢測所述群集電阻狀態(tài)和所述注入所述編程電流經過所述電阻式元件群集直到檢測到所述給定終止條件為止。
39.根據(jù)權利要求38所述的概率性電阻式存儲器，其中所述概率性編程控制器經配置以檢測與所述檢測所述群集電阻狀態(tài)和所述注入所述編程電流的重復數(shù)目相關聯(lián)的編程脈沖計數(shù)。
40.根據(jù)權利要求38所述的概率性電阻式存儲器，其中一個給定終止條件是當所述比較指示所述群集電阻狀態(tài)在給定準則內滿足所述目標電阻狀態(tài)時發(fā)生的編程完成條件。
41.根據(jù)權利要求38所述的概率性電阻式存儲器，其中一個給定終止條件是當所述比較指示所述編程脈沖計數(shù)滿足給定超時值時發(fā)生的編程完成條件。
42.根據(jù)權利要求41所述的概率性電阻式存儲器，其中所述給定超時值是基于給定位錯誤率限制且基于由所述編程電流的所述至少一個參數(shù)確定的所述切換概率，其中當?shù)竭_所述給定超時值時，編程位錯誤率不大于所述給定位錯誤率限制。
43.根據(jù)權利要求41所述的概率性電阻式存儲器，其中所述給定超時值是基于給定編程延遲限制且基于由所述編程電流的所述至少一個參數(shù)確定的所述切換概率，其中當?shù)竭_所述給定超時值時，所述編程延遲不大于所述給定編程延遲限制。
44.根據(jù)權利要求41所述的概率性電阻式存儲器，其中所述群集包括N個雙穩(wěn)態(tài)元件，其中所述數(shù)據(jù)是M位數(shù)據(jù)，M至少為二，其中N至少為三，且其中所述概率性編程控制器電流設定所述至少一個參數(shù)的所述值以確定所述切換概率為優(yōu)化平均脈沖重復計數(shù)的小于一的值。
45.根據(jù)權利要求41所述的概率性電阻式存儲器，其中所述群集包括N個雙穩(wěn)態(tài)元件，其中所述數(shù)據(jù)是I位數(shù)據(jù)，其中N為1，且其中所述概率性編程控制器電流設定所述至少一個參數(shù)的所述值以確定所述切換概率為優(yōu)化平均編程延遲的小于一的值。
46.根據(jù)權利要求34所述的概率性電阻式存儲器，其中所述概率性電阻式存儲器集成在至少一個半導體裸片中。
47.根據(jù)權利要求46所述的概率性電阻式存儲器，其進一步包括選自由以下各項組成的群組的裝置機頂盒、音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、導航裝置、通信裝置、個人數(shù)字助理PDA、固定位置數(shù)據(jù)單元和計算機，所述概率性電阻式存儲器集成到所述裝置中。
48.一種通過雙穩(wěn)態(tài)切換元件的群集來對電阻進行編程的方法，其包括 用于檢測所述電阻的狀態(tài)的步驟； 用于基于所述檢測到的狀態(tài)來確定至少一個編程電流屬性的步驟； 用于施加具有所述至少一個經確定編程電流屬性的編程電流的步驟；以及用于重復所述用于檢測的步驟、所述用于確定的步驟和所述用于施加的步驟直到到達給定編程完成狀態(tài)為止的步驟。
49.根據(jù)權利要求48所述的方法，其中所述用于重復的步驟包含用于對所述用于重復的步驟的重復數(shù)目進行計數(shù)的步驟，且其中一個編程完成狀態(tài)是等于給定重復數(shù)目的給定超時。
50.根據(jù)權利要求48所述的方法，其中一個編程完成狀態(tài)是檢測到滿足給定電阻準則的所述電阻的狀態(tài)。
51.根據(jù)權利要求48所述的方法，其中所述用于檢測的步驟和所述用于施加的步驟在時間上是同時的。
52.根據(jù)權利要求48所述的方法，其中所述用于檢測的步驟和所述用于施加的步驟在時間上是循序的。
53.根據(jù)權利要求48所述的方法，其中所述至少一個編程電流屬性包含電流方向。
54.根據(jù)權利要求48所述的方法，其中所述用于重復的步驟包含用于對所述重復數(shù)目進行計數(shù)的步驟，且其中一個編程完成狀態(tài)是等于給定重復數(shù)目的給定超時，且另一編程完成狀態(tài)是所述檢測到滿足給定電阻準則的所述電阻的狀態(tài)。
55.根據(jù)權利要求48所述的方法，其中所述方法進一步包括用于檢測所述電阻的所述檢測到的狀態(tài)與目標電阻狀態(tài)之間的差異的步驟，且進一步包括用于基于所述雙穩(wěn)態(tài)切換元件的給定位錯誤率和切換特性來確定超時的步驟，在由所述超時表示的所述重復數(shù)目內，所述雙穩(wěn)態(tài)切換元件的群集的所述電阻的所述檢測到的狀態(tài)與所述目標電阻狀態(tài)之間的所述檢測到的差異的概率提供不大于所述給定位錯誤率的位錯誤率。
56.根據(jù)權利要求48所述的方法，其中所述方法進一步包括用于基于給定編程延遲限制和所述經確定編程電流的屬性來確定超時的步驟，所述超時在由所述經確定超時表示的所述重復數(shù)目內將導致編程延遲不大于所述給定編程延遲限制。
57.一種概率性電阻式存儲器，其包括 群集雙穩(wěn)態(tài)切換元件； 用于通過所述雙穩(wěn)態(tài)切換元件的群集來檢測電阻的狀態(tài)的裝置； 用于基于所述檢測到的狀態(tài)來確定至少一個編程電流屬性的裝置； 用于根據(jù)所述至少一個經確定編程電流屬性來將編程電流施加到所述雙穩(wěn)態(tài)切換元件的群集的裝置；以及 用于重復所述檢測、所述確定和所述施加直到到達給定編程完成狀態(tài)為止的裝置。
58.根據(jù)權利要求57所述的概率性電阻式存儲器，其中所述用于重復的裝置包含用于對重復所述檢測、所述確定和所述施加的重復數(shù)目進行計數(shù)的裝置，且其中一個編程完成狀態(tài)是等于給定重復數(shù)目的給定超時。
59.根據(jù)權利要求57所述的概率性電阻式存儲器，其中一個編程完成狀態(tài)是所述檢測到滿足給定電阻準則的所述電阻的狀態(tài)。
60.根據(jù)權利要求57所述的概率性電阻式存儲器，其中所述用于重復的裝置包含用于對所述重復數(shù)目進行計數(shù)的裝置，其中一個編程完成狀態(tài)是所述重復數(shù)目到達給定超時，且另一編程完成狀態(tài)是所述用于檢測所述電阻的狀態(tài)的裝置檢測到滿足給定電阻準則的電阻。
61.根據(jù)權利要求57所述的概率性電阻式存儲器，其中所述概率性電阻式存儲器集成在至少一個半導體裸片中。
62.根據(jù)權利要求61所述的概率性電阻式存儲器，其進一步包括選自由以下各項組成的群組的裝置機頂盒、音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、導航裝置、通信裝置、個人數(shù)字助理PDA、固定位置數(shù)據(jù)單元和計算機，所述概率性電阻式存儲器集成到所述裝置中。
63.一種通信裝置，其包括 天線； 無線控制器，其耦合到所述天線； 集成電路，其耦合到所述無線控制器，所述集成電路具有處理單元和耦合到所述處理單元的用以存儲數(shù)據(jù)的概率性電阻式存儲器；以及 輸入裝置，其耦合到所述集成電路， 其中所述集成電路的所述概率性電阻式存儲器包括 雙穩(wěn)態(tài)元件的群集，每一雙穩(wěn)態(tài)元件經配置以響應于編程電流而在至少兩個電阻狀態(tài)中的第一電阻狀態(tài)與所述至少兩個電阻狀態(tài)中的第二電阻狀態(tài)之間切換，其中切換概率由所述編程電流的至少一個參數(shù)的值確定；以及 概率性編程控制器，其用以檢測所述雙穩(wěn)態(tài)元件的群集的群集電阻狀態(tài)且注入編程電流經過所述電阻式元件群集，其中所述至少一個參數(shù)的所述值確定所述切換概率小于一。
全文摘要
將概率性編程電流注入到雙穩(wěn)態(tài)概率性切換元件的群集中，所述概率性編程電流具有經設定以導致任何給定雙穩(wěn)態(tài)切換元件進行切換的小于1的概率的參數(shù)，且檢測所述雙穩(wěn)態(tài)切換元件的群集的電阻。注入所述概率性編程電流且檢測群集狀態(tài)的所述電阻，直到滿足終止條件為止。任選地，所述終止條件是檢測到所述雙穩(wěn)態(tài)切換元件的群集的所述電阻處于表示多位數(shù)據(jù)的值。
文檔編號G11C11/16GK102884580SQ201180022699
公開日2013年1月16日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權日2010年5月6日
發(fā)明者文清·吳, 肯德里克·H·元, 朱曉春, 升·H·康, 馬修·邁克爾·諾瓦克, 杰弗里·A·萊文, 羅伯特·吉爾摩, 尼古拉斯·于 申請人:高通股份有限公司