MRAM器件及确定其外部磁场和影响的方法与流程

阅读：评论：0

mram器件及确定其外部磁场和影响的方法
技术领域
1.本发明的实施例涉及mram器件及确定其外部磁场和影响的方法。

背景技术：

2.许多现代电子设备包括电子存储器。电子存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器(nvm)。非易失性存储器能够在没有电源的情况下储存数据，而易失性存储器则不能。磁阻随机存取存储器(mram)是下一代非易失性存储器技术的有希望的候选者，因为它具有相对简单和紧凑的结构以及与互补金属氧化物半导体(cmos)逻辑制造工艺的兼容性。

技术实现要素：

3.根据本发明的实施例的一个方面，提供了一种由控制器实施的确定与控制器可操作地相关联的磁阻随机存取存储器(mram)器件外部磁场影响的方法，方法包括：从mram器件读取存储器数据和与存储器数据对应的纠错冗余；通过基于存储器数据和纠错冗余执行纠错码(ecc)校验来确定位错误率，位错误率指示mram器件的保留失败率；将保留失败率与预先确定的失败率阈值进行比较；以及如果保留失败率大于失败率阈值，则提供指示保留失败存储器数据不可信的通知信号。
4.根据本发明的实施例的一个方面，提供了一种磁阻随机存取存储器(mram)器件，包括：主磁隧道结(mtj)阵列，包括配置为储存存储器数据的多个存储器单元；参考mtj阵列，包括具有mtj结构的多个参考单元；以及控制器，与主mtj阵列和参考mtj阵列可操作地相关联，其中，控制器被配置为：接收与外部磁场强度相关的参考mtj阵列的总电阻；基于接收的参考mtj阵列的总电阻和预定阈值确定外部磁场是否是致命的；和如果确定mram器件周围的外部磁场是致命的，则提供通知，通知指示储存在主mtj阵列中的存储器数据是不可信的。
5.根据本发明的实施例的一个方面，提供了一种由控制器实施的确定与控制器可操作地关联的磁阻随机存取存储器(mram)器件周围的外部磁场的方法，mram器件包括磁隧道结(mtj)阵列，mtj阵列包括多个存储器单元和参考mtj阵列，参考mtj阵列包括多个参考单元，方法包括：读取或写入储存在mtj阵列中的存储器数据；检测来自参考mtj阵列的参考mtj阵列信号；将参考mtj阵列信号与预定阈值进行比较；以及如果参考mtj阵列信号超过预定阈值，则提供指示存储器数据不可信的通知信号。
附图说明
6.当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各个方面。应该强调，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制并且仅用于说明的目的。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
7.图1图示了示出根据一些实施例的被配置为通过处理从mtj阵列读取的数据来检测外部磁场的mram器件的框图。
8.图2图示了示出根据一些实施例的通过处理从mtj阵列读取的数据来检测mram器件的外部磁场的方法的流程图。
9.图3图示了示出根据一些附加实施例的被配置为通过处理从参考mtj阵列读取的数据来检测外部磁场的mram器件的框图。
10.图4图示了示出根据一些附加实施例的通过处理从参考mtj阵列读取的数据来检测mram器件的外部磁场的方法的流程图。
11.图5a图示了示出根据一些附加实施例的被配置为通过处理来自参考mtj阵列的数据来检测外部磁场的mram器件的框图。
12.图5b图示了根据一些实施例的响应于mram器件周围的外部磁场强度的参考mtj阵列的电阻的示例图。
13.图5c图示了根据一些实施例的响应于mram器件周围的外部磁场强度的主mtj阵列的保留失败率和参考mtj阵列308的状态翻转率的示例图。
14.图6图示了示出根据一些实施例的被配置为通过处理从参考mtj阵列读取的数据来检测外部磁场的mram器件的截面图。
15.图7图示了示出被配置为通过处理从参考mtj阵列读取的数据来检测外部磁场的mram器件的俯视图。
16.图8图示了根据一些附加实施例的用于mram器件的一些附加器件结构示例。
17.图9示出了根据另外一些附加实施例的用于mram器件的一些附加器件结构示例。
具体实施方式
18.以下公开内容提供了许多用于实现本发明的不同特征不同的实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实施例或实例以简化本发明。当然，这些仅是实例而不旨在限制。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可以在各个示例中重复参考数字和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
19.此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在
…
下方”、“在
…
下面”、“下部”、“在
…
以上”、“上部”等的间隔关系术语，以描述如图中所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，间隔关系术语旨在包括器件在使用或操作工艺中的不同方位。装置可以以其它方式定位(旋转90度或在其它方位)，并且在本文中使用的间隔关系描述符可以同样地作相应地解释。
20.磁阻随机存取存储器(mram)器件由于相对简单和紧凑的结构及其与互补金属氧化物半导体(cmos)逻辑制造工艺的兼容性而成为下一代非易失性存储器技术的有希望的候选者。然而，mram器件的一个缺点是储存在mram器件中的数据状态可能会受到强大的外部磁场的影响。外部磁场不仅会影响mram器件的保留和写入窗口，还会引起储存的数字数据发生不希望的状态翻转，从而导致数据丢失或被篡改。当前检测和/或解决外部磁场对mram器件的影响的一种方法是使用传感器，诸如霍尔传感器，来检测mram器件附近的外部磁场强度。然而，需要很大的额外空间来容纳霍尔传感器或类似物。与mram器件分开放置的
霍尔传感器占用面积大，难以集成到mram器件中。
21.鉴于上述情况，本公开涉及对mram器件和相关器件执行外部磁场检测和数据保护的方法。在一些实施例中，mram器件周围的外部磁场的强度通过处理mram器件的测量数据来确定，而不涉及外部磁场的单独直接测量。在一些实施例中，控制器的现有功能，诸如从mram器件读取的存储器数据的纠错码(ecc)处理，用于导出外部磁场的强度。例如，存储器数据对应的纠错冗余(冗余位)是通过ecc处理得到的，并且表示数据保留的失败率，数据保留的失败率与mram器件周围的外磁场强度成正相关，从而表示mram器件周围的外磁场强度。在一些实施例中，将失败率与预定失败率阈值进行比较。然后基于比较结果确定通知信号，并提供通知信号以指示外部磁场的强度。
22.在一些进一步的实施例中，除了用于写入、储存和读取存储器器件的存储器数据的主mtj阵列之外，参考磁隧道结(mtj)阵列被集成到mram器件中并用于检测mram器件周围的外部磁场的强度。在一些方面，参考mtj阵列的mtj单元被预设为一种电阻状态，该电阻状态可以在受到外部磁场的影响下翻转为相反的电阻状态。因此，参考mtj阵列的电阻变化可以用来指示外部磁场的强度。通过将参考mtj阵列与mram器件集成在相同衬底上，与使用单独的独立磁传感器相比，不需要显著的额外空间，并且制造过程并不复杂，因为参考mtj阵列可以与主mtj阵列一起形成。
23.图1示出了框图100，框图100示出了根据一些实施例的被配置为通过处理从mtj阵列106读取的存储器数据来检测外部磁场的mram器件102。存储器数据可以由可操作地耦合到mtj阵列106的控制器104写入、读取和处理。在一些实施例中，mtj阵列106和控制器104集成在一个芯片中，而在一些替代实施例中，mtj阵列控制器106和控制器104布置在单独的芯片上并且通过各种有线或无线信号传输总线(诸如导体轨道、光纤、无线或另外的信号传输介质)彼此可操作地耦合。
24.在一些实施例中，mtj阵列106包括多个mtj单元，多个mtj单元分别由通过隧道势垒层隔开的两个磁性层组成。磁性层中的一个具有可以在两个稳定方向之间切换的自由磁化，而用作参考层的另一层具有固定的磁化方向。对于具有正隧穿磁阻(tmr)的mtj单元，如果参考层和自由层的磁化方向平行，则电子更有可能隧穿隧道势垒层，使得mtj处于低阻态。反之，如果参考层和自由层的磁化方向为反平行方向，则电子将不太可能隧穿隧道势垒层，从而mtj处于高阻态。因此，mtj可以在两种电阻状态之间切换，即具有低电阻的第一状态(r
p
：参考层和自由层的磁化方向平行)和具有高电阻的第二状态(r
ap
：参考层的磁化方向和自由层是反平行的)。值得注意的是，mtj单元也可以具有负tmr，例如，对于反平行取向的电阻较低以及对于平行取向的电阻较高。由于其二进制性质，mtj单元用于储存数字数据，其中低电阻状态r
p
对应于第一数字数据状态(例如，逻辑“0”)，而高电阻状态r
ap
对应于第二数字数据状态(例如，逻辑“1”)。
25.当数字数据储存在mram器件102中时，可以使用纠错码(ecc)来更好地保证数据可靠性。可以实施纠错码(ecc)块来纠正数字数据中的错误。作为示例，ecc块可以是在写入/编程操作期间在来自原始数据、指令、变量或消息的数据位之后编码的多个附加位。ecc块可以通过多种纠错算法进行编码，诸如单纠错(sec)汉明码、单纠错-双纠错(sec-ded)改进的汉明码和sec-ded萧氏码。例如，mtj阵列106的存储器内容可以包括可以由纠错算法编码的k个数据位块以生成作为ecc块的m个校验位块，其中m、k是正积分。随着时间的推移，mtj
阵列106的存储器内容可能遭受数据退化。当原始消息被重构时，ecc块可以被解码以检查和纠正一定数量的错误位。在一些示例中，m个校验位可以纠正纠正数量的位错误和/或检测检测数量的位错误。检测数量的位错误可以大于纠正数量的位错误。
26.当存在强外部磁场时，mtj阵列106的存储器内容可能受到干扰或攻击，并被转换为包含额外的错误位。如果错误位的数量或比例增加但仍在可修复范围内，则可以使用纠错码来纠正这些错误位。如果错误位的数量或比例超出可修复范围和/或纠错码也被更改并变得无法使用，则存储器内容将遭受无法修复的损坏。对于任何一种情况，运行对错误位的数量或比例以及纠正过程的条件的检查指示外部磁场的影响。在一些实施例中，当错误位的数量或比例超过预定阈值时，控制器104或mram器件102的其他组件可以检测并通知用户这样的事件已经发生。还可以根据获取的错误位的数量或规模采取进一步的动作，例如出于安全目的擦除存储器数据和/或重写存储器数据。
27.图2图示了流程图200，流程图200示出了根据一些实施例的用于通过处理从mtj阵列读取的数据来检测mram器件的外部磁场的方法。方法可以储存在电子介质中并由计算机相关器件执行，诸如mtj阵列106和mram器件102的控制器104，如上文结合图1所示和所描述的。
28.如动作201所示，在一些实施例中，存储器数据被写入并储存在mtj阵列中。存储器数据可以包括原始数据、指令、变量或消息的位。基于存储器数据生成纠错冗余位(ecc位)。在将存储器数据写入mtj阵列之前，可以通过各种纠错算法对ecc位进行编码。纠错算法可以是任何合适的算法，诸如单纠错(sec)汉明码、单纠错-双纠错(sec-ded)改进的汉明码和sec-ded萧氏码。ecc位可以与存储器数据一起写入并储存在mtj阵列中，也可以单独储存在mtj阵列之外。
29.在动作202处，在一些实施例中，从mtj阵列读取存储器数据。ecc位可以与存储器数据一起被读取，ecc位包括在存储器数据的每个位序列之前、之后或之内编码的n个附加位(例如，n＝1、2、3
…
)。ecc位还可以包括储存在与mtj阵列分离的另一存储器中的附加ecc位，诸如用于安全验证的一组安全或哈希位。
30.在动作204处，在一些实施例中，基于存储器数据和ecc位执行ecc检查，并且根据ecc检查确定位错误率。例如，ecc位可以被解码以检测错误位(诸如位错误率(ber))的数量或比例，并使用检测数据来确定数据保留失败率。例如，位错误率可以近似地被认为是mram器件的数据保留失败率。作为另一示例，可以基于位错误率或检测到的误位的数量或比例，通过减去平均写入/读取位错误率或计算其他因素来计算数据保留失败率。
31.在动作206处，在一些实施例中，将数据保留失败率与预定失败率阈值进行比较。失败率阈值可以在规范中预先设置。失败率阈值可以通过从存储器检索和/或获得预储存值来确定。在一些实施例中，失败率阈值可以基于ecc块的覆盖率预先确定，诸如ecc块的覆盖率的60％至80％。例如，当ecc块可以覆盖10ppm时，失败率阈值可以设置为6到8ppm(0.0006％-0.0008％)。附加地或替代地，失败率阈值可以基于测试的结果来确定。可以提供对mram器件产生致命影响的外部磁场作为外部磁场的阈值强度，以确定mram器件不能承受的失败率阈值。测试可以独立于mram器件的制造和/或操作来执行。
32.附加地或替代地，ecc检查可以指示纠错过程的条件，诸如错误位的数量或比例是否仍在可修复范围内、是否在可修复范围之外和/或纠错码被更改并变得无法使用。对于后
两种情况，错误位的数量或比例超出可修复范围和/或被更改并变得无法使用，存储器内容将遭受无法修复的损坏。在一些情况下，可修复范围可以等同于ecc块的覆盖范围。
33.在动作208处，在一些实施例中，如果数据保留失败率小于或不大于动作206所确定的失败率阈值，则可以执行纠错操作以纠正错误位。例如，可以对ecc位进行解码以纠正多个错误位。也可以利用存储器数据的纠正的位部分或全部重写mtj阵列。
34.在动作210处，在一些实施例中，如果数据保留失败率大于或不小于动作204所确定的失败率阈值，则提供通知信号。数据保留失败率超过失败率阈值可能表明mram器件周围有很强的外部磁场，并且储存的存储器数据是不可信的。在接收到通知信号时可以进行进一步的动作，例如清除储存在mtj阵列中的存储器数据和/或重新加载或请求将刷新的数据重写到mtj阵列。在一些进一步的方面，可以给出销毁命令以保护安全数据。由于使用了现有的ecc处理，因此不需要额外的硬件来检测mram周围的磁场强度。
35.图3图示了示出根据一些附加实施例的被配置为通过处理从参考mtj阵列308读取的数据来检测外部磁场的mram器件302的框图。存储器数据可以由可操作地耦合到主mtj阵列306和参考mtj阵列308的控制器304写入、读取和处理。在一些实施例中，主mtj阵列306、参考mtj阵列308和控制器304被集成在一个芯片中，而在一些替代实施例中，主mtj阵列306和参考mtj阵列308可以布置在与控制器304分开的芯片上，并且通过各种有线或无线信号传输总线(诸如导体轨道、光纤、无线或另外的信号传输介质)彼此可操作地耦合。
36.mram器件302、控制器304和主mtj阵列306可以与如上所述的mram器件102、控制器104和mtj阵列106共享共同部件。附加地或替代地，在一些实施例中，mram器件302还包括参考mtj阵列308，参考mtj阵列308被配置为检测和指示mram器件302周围的外部磁场的强度。参考mtj阵列308可以包括多个参考mtj单元。在一些方面，参考mtj单元被预设为一种电阻状态。参考mtj单元可以在外部磁场的作用下翻转到相反的电阻状态，并且更多的参考mtj单元在更强的外部磁场下翻转。因此，参考mtj阵列308的总电阻被检测并用于指示外部磁场的强度。在一些其他方面，另外的参考mtj阵列信号被检测并用于指示外部磁场的强度。下面结合图5a描述参考mtj阵列308及其操作的更多细节。
37.图4示出了流程图400，其示出了根据一些附加实施例的通过处理从参考mtj阵列读取的数据来检测mram器件的外部磁场的方法。该方法可以储存在电子介质中并由计算机相关器件执行，诸如主mtj阵列306和mram器件302的控制器304，如上文结合图3所示的和所描述的。
38.在动作402处，在一些实施例中，从参考mtj阵列读取或检测参考mtj阵列信号。在一些实施例中，多个参考mtj单元包括串联、并联或串联和并联连接的组合的mtj。在一些实施例中，参考mtj阵列信号是参考mtj阵列的总电阻。
39.在动作404处，在一些实施例中，参考mtj阵列信号被处理并且与预定阈值进行比较。参考mtj阵列信号与mram器件周围的外部磁场的强度正相关，并且因此指示了外部磁场的强度。在一些方面，参考mtj阵列信号是参考mtj阵列308的总电阻，指示在外部磁场下翻转的mtj单元的量并且用于指示外部磁场的强度。在一些方面，检测参考mtj阵列的电阻变化。电阻变化与外部磁场的强度有关，因此用于指示外部磁场的强度。在一些其他方面，可以使用电阻阈值与参考mtj阵列308的总电阻进行比较。电阻阈值可以在规范中预先设置并且可以基于应用需要。可以从存储器中检索电阻阈值。在操作期间，对主mtj阵列306执行数
据处理。可以通过将参考mtj阵列308的多个mtj单元设置为第一状态来初始化参考mtj阵列308的电阻。如果存在外部磁场，则参考mtj阵列308的电阻可以变化，并且电阻变化与外部磁场的强度有关。
40.在一些其他方面，参考mtj阵列信号可以是参考mtj阵列308的其他参数。例如，参考mtj阵列信号可以是与预定失败率阈值相比较的失败率，类似于如上关于图2所描述的。
41.如果参考mtj阵列信号小于或不大于预定阈值，则mram器件可以继续操作。如果参考mtj阵列信号小于或不大于预定阈值，也可以例如周期性地或根据请求再次检查参考mtj阵列信号。
42.在动作406处，在一些实施例中，如果参考mtj阵列信号大于或不小于预定阈值，则提供通知信号。通知信号可以指示所存储的存储器数据是不可信的。在一些实施例中，在接收到通知信号后会进行进一步的动作，例如清除储存在主mtj阵列306中的存储器数据和/或重新加载或请求将刷新的数据重写到主mtj阵列306。在一些进一步的方面，为了保护数据的安全，可以给出销毁命令来销毁数据。在一些进一步的实施例中，可以将初始化偏置施加到参考mtj阵列308以预设或重置参考单元108'以用于外部磁场的下一次检测。由于参考mtj阵列308可以与主mtj阵列306一起形成，与形成不同种类的磁传感器相比，制造过程并不复杂。
43.图5a示出了框图500a，框图500a示出了根据一些实施例的被配置为使用参考mtj阵列308检测外部磁场的图3的mram器件302的电路图。然而图5a中所示的电路图可用于执行与图1-图4相关联的上述功能。可选地，图5a所示的mram器件可以利用受外部磁场影响的磁性元件来执行其他功能。
44.在一些实施例中，主mtj阵列306包括多个存储器单元c11-c33。存储器单元c11-c33可以在主mtj阵列306内以行和/或列布置。主mtj阵列306可以具有任意数量的存储器单元，尽管在图5a中被示为具有3行和3列。存储器单元c11-c33中的一个存储器单元可以包括耦合到选择器118的存储器单元108。选择器118被配置为选择性地提供对所选存储器单元108的存取，同时抑制通过未选择的存储器单元的泄漏电流。
45.存储器单元c11-c33可以通过位线bl
1-bl3、字线wl
1-wl3和源极线sl
1-sl3来控制。字线wl
1-wl3可用于操作对应于存储器单元c11-c33的选择器118。当用于存储器单元108的选择器118被开启时，可以将电压施加到该存储器单元。位线解码器119向位线bl
1-bl3中的一个施加读取电压或写入电压。字线译码器127将另一电压施加到字线wl
1-wl3中的一个，这开启对应行中的存储器单元c11-c33的选择器118。这些操作一起导致读取电压或写入电压被施加到存储器单元c11-c33中的所选存储器单元。
46.向所选存储器单元108施加电压会产生电流。在读取操作期间，读出放大器117基于电流确定所选存储器单元的编程状态。读出放大器117可以连接到源极线sl
1-sl3。替代地或附加地，读出放大器117可以连接到位线bl
1-bl3。读出放大器117可以基于电流确定存储器单元108的编程状态。在一些实施例中，感测放大器117通过将电流与一个或多个参考电流进行比较来确定存储器单元108的编程状态。读出放大器117可以将编程状态确定传送到i/o缓冲器，i/o缓冲器可以耦合到驱动器电路以实现写入和写入验证操作。驱动器电路被配置为选择电压以施加到所选存储器单元以进行读取、写入和写入验证操作。
47.在一些实施例中，参考mtj阵列308包括多个磁性参考单元r11-r33。磁性参考单元
r11-r33可以在参考mtj阵列308内以行和/或列或以任何其他合适的图案布置。参考mtj阵列308可以具有任何数量的参考单元108'。参考mtj阵列308的参考单元108'的数量与外部磁场检测的分辨率有关。在一些方面，参考mtj阵列308可以具有至少1/r的参考单元108'，其中r是可以在规范中列出的失败率。例如，参考mtj阵列308可以具有至少106个参考单元108'，其可以产生对应于1ppm失败率(1e-6位错误率)的106分辨率。在一些方面，参考单元108'被预设为一种电阻状态并且可以在受到外部磁场的影响下被翻转到相反的电阻状态。
48.图5b示出了根据一些实施例的响应于mram器件302(见图5a)周围的外部磁场h的参考mtj阵列308的电阻的示例图500b。在一些实施例中，参考mtj阵列308的所有参考单元108'可以最初被预设为高电阻状态(r
ap
)并且可以能够被预设为高电阻状态(r
ap
)。更多的参考单元108'在更强的外部磁场下翻转。参考mtj阵列308的总电阻随着改变为翻转电阻状态的参考单元108'数量的增加而降低，因此随着mram器件302周围的外部磁场h强度的增加而降低。或者，所有的参考mtj阵列308的参考单元108'可以最初被预设为低电阻状态(r
p
)并且可以能够被预设为低电阻状态(r
p
)。然后，参考mtj阵列308的总电阻随着改变为翻转电阻状态的参考单元108'数量的增加而增加，因此随着mram器件302周围的外部磁场h强度的增加而增加。因此，参考mtj阵列308的电阻变化可用于指示外部磁场h的强度。通过将参考mtj阵列308与mram器件302集成，与使用单独的磁传感器相比，不需要显著的额外空间，并且制造过程并不复杂，因为参考mtj阵列308可以与主mtj阵列306一起形成。
49.图5c示出了一些实施例的响应于mram器件302周围的外部磁场h(见图5a)的主mtj阵列306的保留失败率和参考mtj阵列308的状态翻转率的示例曲线图500c(参见图5a)。主mtj阵列306的保留失败率随着mram器件302周围的外部磁场h强度的增加而增加。参考mtj阵列308的状态翻转率也随着周围外部磁场h强度的增加而增加。在一些方面，参考mtj阵列308比主mtj阵列306对外部磁场h更敏感，因此更适合检测外部磁场h。在一些实施例中，参考单元108'具有与存储器单元108相同或类似组成的mtj单元，但横向尺寸小于存储器单元108的横向尺寸。存储器单元108和参考单元108'的更多细节也在以下关联于图6和图7描述。
50.图6和图7示出了mram器件302的一些另外的器件结构示例，如以上关联于图3-图5所公开的。图6示出了截面图600，截面图600示出了包括代表性存储器单元c11、c12的主mtj阵列306和包括磁性参考单元r11、r12、r13的参考mtj阵列308。互连结构604设置在衬底602上方。互连结构604包括堆叠互连金属层606a、606b、606c作为示例，其设置在作为示例的堆叠层间介电(ild)层608a、608b、608c内。堆叠互连金属层606a、606b、606c可以各自包括一层或多层互连金属线。堆叠ild层608a、608b、608c可以各自包括一个或多个介电层。存储器单元c11、c12分别包括设置在互连结构604内的存储器单元108。磁性参考单元r11、r12、r13分别包括也设置在互连结构604内的参考单元108'。在一些实施例中，存储器单元参考单元108和参考单元108'可以具有相同的组成。
51.作为示例，存储器单元108和参考单元108'可以分别包括mtj结构，mtj结构包括底部电极110、布置在底部电极110上方的数据储存结构112、以及布置在数据储存结构112上方的顶部电极114。上互连金属层606c延伸穿过上ild层608c以到达顶部电极114。在一些实施例中，底部电极110和顶部电极114可以包括氮化钽、氮化钛、钽、钛、铂、镍、铪、锆、钌、铱等。在一些实施例中，数据储存结构112是磁隧道结(mtj)、自旋阀或其他包含磁性材料的数
据储存结构。用于数据储存结构112的其他结构和/或用于存储器单元108和参考单元108'的其他存储器单元类型也是可以接受的。
52.在一些实施例中，数据储存结构112包括参考铁磁元件132和由隧穿势垒元件134堆叠和分离的自由铁磁元件136。参考铁磁元件132具有固定的磁化方向，而自由铁磁元件136具有可以在两个稳定方向之间切换的可变磁化强度。在一些实施例中，参考铁磁元件132是或包括钴铁(例如，cofe)、钴铁硼(例如，cofeb)、或一些其他合适的铁磁材料或前述的任何组合。在一些实施例中，参考铁磁元件132邻接反铁磁元件(未示出)和/或是合成反铁磁(saf)元件(未示出)的部分或以其他方式邻接。在一些实施例中，自由铁磁元件136是或包括钴铁(例如，cofe)、钴铁硼(例如，cofeb)、或一些其他合适的铁磁材料或前述的任何组合。在一些实施例中，隧穿势垒元件134是选择性地允许电子量子机械隧穿穿过隧穿势垒元件134的隧道势垒。隧穿势垒元件134可以例如是或包括非晶势垒、晶体势垒或一些其他合适的势垒，诸如氧化铝(alo
x
)、氧化钛(tio
x
)、氧化锰(mgo)、尖晶石(mgal2o4)或一些其他合适的势垒材料。尽管本发明主要是根据mtj来描述的，但也应了解，本发明适用于自旋阀存储器元件，自旋阀存储器元件可使用软磁层作为自由铁磁元件136，以及使用硬磁层作为参考铁磁元件132，以及分隔硬磁层和软磁层的非磁性势垒。
53.取决于参考铁磁元件132和自由铁磁元件136的磁化是平行还是反平行，数据储存结构112具有低电阻或高电阻。例如，数据储存结构112在参考铁磁元件132和自由铁磁元件136的磁化平行时可以具有低电阻，并且在磁化是反平行时可以具有高电阻。在操作期间，存储器单元108可以被写入、读取和用于存储数字数据，其中低电阻状态对应于第一数字数据状态(例如，逻辑“0”)，而高电阻状态对应于第二数字数据状态(例如，逻辑“1”)。参考单元108'可用于指示外部磁场的强度，参考单元108'的低阻状态和高阻状态的翻转状态导致参考mtj阵列308的总电阻的变化。
54.在一些实施例中，选择器118通过互连金属层606a、606b电耦合到存储器单元108的底部电极110并且用于控制主mtj阵列306中的存储器单元108的存取。互连金属层606a、606b可以包括由设置在金属线之间的金属通孔连接的金属线层。底部电极110可以直接连接到下金属线或通过底部电极通孔连接。顶部电极114可以直接连接或通过顶部电极通孔连接到上金属线。位线bl可以连接到顶部电极114。选择器118可以包括晶体管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。选择器118可以包括第一源/漏区120和第二源/漏区122，第一源/漏区120和第二源/漏区122设置在栅极结构124的相对侧的衬底602中或衬底602上。字线wl可以连接到栅极结构124。源线sl可以连接到第一源/漏区120，并且第二源/漏区122可以通过诸如互连金属层606a、606b的互连金属层耦合到存储器单元108。第一源/漏区120和第二源/漏区122例如可以是重掺杂半导体区。栅极结构可以例如包括多晶硅或金属材料，诸如铝、钨、钛或通过介电层与衬底602隔开的另外合适的导电材料，介电层可以是或包括诸如氧化物、高k介电材料或另外合适的介电材料。在操作期间，可以选择性地向字线wl、源极线sl和位线bl施加信号(例如，电压和/或电流)，以从存储器单元108读取数据和向存储器单元108写入数据。
55.在一些实施例中，参考mtj阵列308中不存在选择器。参考偏置可以施加到参考mtj阵列308以测量参考单元108'的总电阻。作为示例，参考线rl可以连接到一个或多个参考单元108'的顶部电极114以用于总电阻的传达。在操作期间，可以在参考线rl和连接到底部电
极110的下互连金属层606b的下金属线之间施加参考偏置。可以理解，参考mtj阵列308可以翻转使得参考线rl可以连接到一个或多个参考单元108'的底部电极110，并且参考偏置可以施加在参考线rl和连接到顶部电极114的上互连金属层606c的上金属线之间。在一些实施例中，可以将初始化偏置施加到参考mtj阵列308以预设或重置参考单元108'。
56.图7图示了根据一些实施例的俯视图700a、700b，其示出了与以上图3-图6相关联的所公开的mram器件302的一些进一步的器件结构示例，图3-图6包括主mtj阵列306和参考mtj阵列308。如俯视图700a和图5a所示，在一些实施例中，主mtj阵列306包括多个存储器单元c11-c33，其具有在行和/或列中的存储器单元108，具有任意数量的存储器单元。存储器单元c11-c33可以由交叉排列的位线bl
1-bl3和字线wl
1-wl3构成。字线wl
1-wl3可用于控制和选择存储器单元c11-c33。当选择存储器单元108时，可以将读取电压或写入电压施加于该存储器单元。
57.如俯视图700b和图5a所示，在一些实施例中，参考mtj阵列308包括多个磁性参考单元r11-r33。磁性参考单元r11-r33可以在参考mtj阵列308内以行和/或列或以任何其他合适的图案布置。参考mtj阵列308可以具有任何数量的参考单元108'。参考mtj阵列308的参考单元108'可以串联、并联或它们的组合耦合。俯视图700b和图6示出了串联连接的示例。第一磁性参考单元r11和第二磁性参考单元r12的底部电极可以通过下部互连金属层606b的金属线连接在一起，第二磁性参考单元r12和第三磁性参考单元r13的顶部电极可以通过上互连金属层606c的金属线连接在一起。剩余的磁性参考单元也可以以类似的方式布置。在一些方面，参考单元108'被预设为一种电阻状态并且可以在mram器件周围的外部磁场的影响下被翻转到相反的电阻状态。
58.在一些实施例中，参考单元108'具有与存储器单元108相同或类似的尺寸以保证制造的一致性。在一些替代实施例中，参考单元108'的横向尺寸小于存储器单元108的横向尺寸。在一些方面，参考mtj阵列308的参考单元108'的直径或横向尺寸为主mtj阵列306的存储器单元108的直径或横向尺寸的约70％至90％。在一些其他方面，参考mtj阵列308的参考单元108'的直径或横向尺寸为小于主mtj阵列306的存储器单元108的直径或横向尺寸约5nm至10nm。例如，参考mtj阵列308的每个参考单元108'的直径可以是15-90nm，而主mtj阵列306的每个存储器单元108的直径可以是20-100nm。参考mtj阵列308的较小mtj尺寸更容易受到外部磁场的影响，因此可以提供更灵敏的外部磁场检测。同时，参考mtj阵列308的mtj尺寸小于主mtj阵列306的70％或小5-10nm，这可能导致具有小临界尺寸的缩放节点的制造困难。
59.此外，虽然存储器单元108和参考单元108'在图7中均被示为具有圆形，但它们可以是各种形状。例如，存储器单元108和参考单元108'可以是其他中心对称形状，例如正方形或其他正多边形。在一些替代实施例中，存储器单元108和/或参考单元108'可以具有在长度方向上比宽度方向上更长的轴对称形状，使得存储器单元108的面积可以通过布置来扩大较长的长度或参考单元108'的面积可以通过布置较短的宽度来减小。存储器单元108和/或参考单元108'的示例包括椭圆形、矩形或其他合适的形状。
60.图8和图9示出了mram器件302的一些附加器件结构示例，如以上关联于图3-图7所公开的。如框图800a、900a和俯视图800b、900b所示，参考mtj阵列308的参考单元108'可以串联、并联或它们的组合耦合。例如，如框图800a和俯视图800b所示，第一组磁性参考单元
r11、r12、r13、第二组磁性参考单元r21、r22、r23和第三组磁性参考单元r31、r32、r33分别串联、再并联连接到参考线rl。作为框图900a和俯视图900b中所示的另一个示例，所有磁性参考单元r11-r33可以并联连接并连接到参考线rl。在操作期间可以将偏置电压vr施加到参考单元108'以测量参考mtj阵列308的总电阻并因此指示mram器件302周围的外部磁场的强度。
61.因此，在一些实施例中，本公开涉及一种由控制器实施的确定与控制器可操作地相关联的磁阻随机存取存储器(mram)器件外部磁场影响的方法。该方法包括从mram器件读取存储器数据和与存储器数据对应的纠错冗余，通过基于存储器数据和纠错冗余执行纠错码(ecc)校验来确定位错误率，位错误率指示mram器件的保留失败率。该方法还包括将保留失败率与预先确定的失败率阈值进行比较，以及如果保留失败率大于失败率阈值，则提供指示存储器数据不可信的通知信号。
62.在上述方法中，还包括如果保留失败率小于失败率阈值，则执行纠错操作并且用存储器数据的经纠正位重写mram器件。
63.在上述方法中，还包括如果储存在mram器件中的存储器数据不可信，则提供销毁命令以保护安全数据。
64.在上述方法中，失败率阈值是通过从存储器获得预储存值来确定的。
65.在上述方法中，通过执行测试过程来确定失败率阈值，测试过程提供具有对mram器件产生致命影响的阈值强度的外部磁场。
66.在上述方法中，失败率阈值被确定为mram器件的纠错码(ecc)块的覆盖率的60％到80％。
67.在其他实施例中，本公开涉及磁阻随机存取存储器(mram)器件。mram器件包括主磁隧道结(mtj)阵列和参考mtj阵列，主磁隧道结(mtj)阵列包括配置为储存存储器数据的多个存储器单元，参考mtj阵列包括具有mtj结构的多个参考单元。mram器件还包括与主mtj阵列和参考mtj阵列可操作地关联的控制器。控制器被配置为接收与外部磁场强度相关的参考mtj阵列的总电阻，基于接收的参考mtj阵列的总电阻和预定阈值确定外部磁场是否是致命的，如果确定mram器件周围的外部磁场是致命的，则提供通知，通知指示储存在主mtj阵列中的存储器数据是不可信的。
68.在上述mram器件中，参考mtj阵列的多个参考单元分别具有与主mtj阵列的多个存储器单元相同的组成。
69.在上述mram器件中，参考mtj阵列的多个参考单元分别具有比主mtj阵列的多个存储器单元更小的横向尺寸。
70.在上述mram器件中，主mtj阵列的多个存储器单元分别包括连接到选择器的mtj结构，并且其中选择器不存在于参考mtj阵列中。
71.在上述mram器件中，参考mtj阵列的mtj结构的顶部电极或底部电极连接到参考线，参考线被配置为传达参考mtj阵列的总电阻。
72.在上述mram器件中，参考mtj阵列的参考单元彼此串联并连接到参考线。
73.在上述mram器件中，参考mtj阵列的参考单元彼此并联并连接到参考线。
74.在上述mram器件中，参考单元分别具有比存储器单元小5nm至10nm的横向尺寸。
75.在上述mram器件中，参考mtj阵列设置在衬底上方的互连结构内。
76.在又一实施例中，本公开涉及一种由控制器实施的确定与控制器可操作地关联的磁阻随机存取存储器(mram)器件周围的外部磁场的方法。mram器件包括磁隧道结(mtj)阵列，mtj阵列包括多个存储器单元和参考mtj阵列，参考mtj阵列包括多个参考单元。该方法包括读取或写入储存在mtj阵列中的存储器数据，检测来自参考mtj阵列的参考mtj阵列信号。该方法还包括将参考mtj阵列信号与预定阈值进行比较，如果参考mtj阵列信号超过预定阈值，则提供指示存储器数据不可信的通知信号。
77.在上述方法中，检测来自参考mtj阵列的参考mtj阵列信号包括：通过将参考mtj阵列的多个存储器单元设置为第一状态来初始化参考mtj阵列的总电阻；和检测参考mtj阵列的电阻变化，电阻变化与外部磁场的强度有关。
78.在上述方法中，方法还包括将初始化偏置施加到参考mtj阵列以重置多个参考单元以用于外部磁场的下一次检测。
79.在上述方法中，预定阈值是通过执行测试过程来确定的，测试过程提供具有对mram器件产生致命影响的阈值强度的外部磁场。
80.在上述方法中，预定阈值是从存储器中检索的。
81.上述概述了几个实施例的特征，以便本领域技术人员可以更好地理解本公开的各个方面。本领域技术人员应当理解，他们可以容易地使用本公开作为设计或修改用于实现本文所介绍的实施例的相同目的和/或实现其相同优点的其它过程和结构的基础。本领域技术人员还应当认识到，此类等效结构不背离本发明的精神和范围，并且它们可以在不背离本发明的精神和范围的情况下在本发明中进行各种改变、替换以及改变。

技术特征：

1.一种由控制器实施的确定与所述控制器可操作地相关联的mram器件的外部磁场影响的方法，所述方法包括：从所述mram器件读取存储器数据和与所述存储器数据对应的纠错冗余；通过基于所述存储器数据和所述纠错冗余执行纠错码校验来确定位错误率，所述位错误率指示所述mram器件的保留失败率；将所述保留失败率与预先确定的失败率阈值进行比较；以及如果所述保留失败率大于所述失败率阈值，则提供指示存储器数据不可信的通知信号。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：如果所述保留失败率小于所述失败率阈值，则执行纠错操作并且用所述存储器数据的经纠正位重写所述mram器件。3.根据权利要求1所述的方法，还包括：如果储存在所述mram器件中的所述存储器数据不可信，则提供销毁命令以保护安全数据。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述失败率阈值是通过从存储器获得预储存值来确定的。5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过执行测试过程来确定所述失败率阈值，所述测试过程提供具有对所述mram器件产生致命影响的阈值强度的外部磁场。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述失败率阈值被确定为所述mram器件的纠错码块的覆盖率的60％到80％。7.一种mram器件，包括：主磁隧道结阵列，包括被配置为储存存储器数据的多个存储器单元；参考磁隧道结阵列，包括具有磁隧道结结构的多个参考单元；以及控制器，与所述主磁隧道结阵列和所述参考磁隧道结阵列可操作地相关联，其中，所述控制器被配置为：接收与外部磁场强度相关的所述参考磁隧道结阵列的总电阻；基于接收的所述参考磁隧道结阵列的所述总电阻和预定阈值确定所述外部磁场是否是致命的；和如果确定所述mram器件周围的所述外部磁场是致命的，则提供通知，所述通知指示储存在所述主磁隧道结阵列中的所述存储器数据是不可信的。8.根据权利要求7所述的mram器件，其中，所述参考磁隧道结阵列的所述多个参考单元分别具有与所述主磁隧道结阵列的所述多个存储器单元相同的组成。9.根据权利要求7所述的mram器件，其中，所述参考磁隧道结阵列的所述多个参考单元分别具有比所述主磁隧道结阵列的所述多个存储器单元更小的横向尺寸。10.一种由控制器实施的确定与所述控制器可操作地相关联的mram器件周围的外部磁场的方法，所述mram器件包括磁隧道结阵列，所述磁隧道结阵列包括多个存储器单元和参考磁隧道结阵列，所述参考磁隧道结阵列包括多个参考单元，所述方法包括：读取或写入储存在磁隧道结阵列中的存储器数据；检测来自所述参考磁隧道结阵列的参考磁隧道结阵列信号；将所述参考磁隧道结阵列信号与预定阈值进行比较；以及如果所述参考磁隧道结阵列信号超过所述预定阈值，则提供指示所述存储器数据不可
信的通知信号。

技术总结

提供了一种磁阻随机存取存储器(MRAM)器件及确定其外部磁场和影响的方法。MRAM器件包括主磁隧道结(MTJ)阵列和参考MTJ阵列，主磁隧道结(MTJ)阵列包括被配置为储存存储器数据的多个存储器单元，参考MTJ阵列包括具有MTJ结构的多个参考单元。MRAM器件还包括与主MTJ阵列和参考MTJ阵列可操作地相关联的控制器。控制器被配置为接收与外部磁场强度相关的参考MTJ阵列的总电阻，基于接收到的参考MTJ阵列的总电阻和预定阈值确定外部磁场是否致命，并且如果确定MRAM器件周围的外部磁场是致命的，则提供指示储存在主MTJ阵列中的存储器数据不可信的通知。的通知。的通知。