專利名稱：利用自旋轉(zhuǎn)移的快速磁性存儲(chǔ)器件以及其中使用的磁性元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁性存儲(chǔ)系統(tǒng)，尤其涉及一種用于提供在其單元可使用自 旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)翻轉(zhuǎn)的磁性存儲(chǔ)器中所使用的存儲(chǔ)單元及配套電路的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
圖1示出了現(xiàn)有磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM) IO的一部分?，F(xiàn)有MRAMIO 包括現(xiàn)有磁性存儲(chǔ)單元20、現(xiàn)有字線30-1至30-n、現(xiàn)有字選擇線40及42、現(xiàn) 有數(shù)據(jù)線50及52、現(xiàn)有字選擇晶體管54及56、現(xiàn)有數(shù)據(jù)選擇線60、現(xiàn)有數(shù) 據(jù)選擇晶體管62及現(xiàn)有讀出放大器(sense amplifier) 70。各現(xiàn)有磁性存儲(chǔ)單 元20包括單個(gè)現(xiàn)有選擇晶體管22及單個(gè)現(xiàn)有磁性元件24。現(xiàn)有磁性元件24 可為現(xiàn)有自旋閥或現(xiàn)有穿隧磁阻(TMR)結(jié)。字選擇線42所攜帶信號(hào)為字選 擇線40所攜帶信號(hào)的反演。類似地，數(shù)據(jù)線50所攜帶信號(hào)為數(shù)據(jù)線52所攜 帶信號(hào)的反演。使用該自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)來對(duì)現(xiàn)有MRAMIO進(jìn)行編程。
該自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)是由鐵磁-正常金屬多層的自旋相關(guān)電子傳輸特性形成。 當(dāng)自旋極化電流以CPP形式貫穿磁性多層(如現(xiàn)有磁性元件24)時(shí)，入射在 鐵磁層上之電子的自旋角動(dòng)量與該鐵磁層與正常金屬層之間界面附近的鐵磁 層的磁矩相互作用。通過這一相互作用，該電子將其角動(dòng)量的一部分傳輸至該 鐵磁層。結(jié)果，若該電流密度足夠大(約106-108A/cm2)，則自旋極化電流可 翻轉(zhuǎn)該鐵磁層的磁化方向。
作為使用外部翻轉(zhuǎn)場(chǎng)來翻轉(zhuǎn)磁性元件(諸如現(xiàn)有自旋閥或TMR結(jié)24)自 由層的磁化方向的替代或者附加，可以以該CPP形式使用該自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。
為了將現(xiàn)有磁性元件24編程為例如邏輯"1"的第一態(tài)，驅(qū)動(dòng)電流以第一方 向通過現(xiàn)有磁性元件24。為了將現(xiàn)有磁性元件24編程為例如邏輯"0"的第二態(tài)， 驅(qū)動(dòng)電流以相反方向通過現(xiàn)有磁性元件24。例如，為了對(duì)現(xiàn)有磁性元件24編 程，通過激活現(xiàn)有字線30-1來激活現(xiàn)有選擇晶體管22。此外，通過分別向字 選擇線40及42提供適當(dāng)電壓來激活字選擇晶體管54及56。通過向數(shù)據(jù)選擇 線60提供適當(dāng)電壓可使現(xiàn)有數(shù)據(jù)選擇晶體管62禁能。根據(jù)該使數(shù)據(jù)線50及 52偏置的電壓，電流以該第一方向或該第二方向流經(jīng)現(xiàn)有磁性元件24。因此， 分別將現(xiàn)有磁性元件24的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為邏輯"1"或邏輯"0"。
為了讀取現(xiàn)有磁性元件24，使用線30-1與60分別激活現(xiàn)有選擇晶體管 22與現(xiàn)有數(shù)據(jù)選擇晶體管62。此外，使用字選擇線42來激活其中一個(gè)字選擇
晶體管56，而使用字選擇線40來使該剩下的字選擇晶體管54禁能。由此可驅(qū) 動(dòng)讀出電流經(jīng)過現(xiàn)有磁性元件24至讀出放大器70。根據(jù)該輸出電壓的量值， 可通過比較該讀出電流與參考電流來判定現(xiàn)有磁性元件24中以及進(jìn)而判斷現(xiàn) 有磁性存儲(chǔ)單元20中所存儲(chǔ)的是邏輯"0"或是邏輯"1"。
盡管大體上磁性元件可將自旋轉(zhuǎn)移作為編程機(jī)制，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員 可容易的認(rèn)識(shí)到其存在缺陷。具體地，來自晶體管22、 54、 56及62、來自數(shù) 據(jù)線50及52以及其余的外圍電路的噪聲會(huì)減少信噪比。因此，難以精確地讀 取現(xiàn)有MRAMIO，特別是在器件密度較大的情況下。
因此，需要這樣一種磁性存儲(chǔ)器，其具有改良的性能并且利用局部現(xiàn)象(例 如自旋轉(zhuǎn)移)來寫入，以及以增強(qiáng)信噪比及高速進(jìn)行讀取的配套電路。本發(fā)明 正是為此需要而提供的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種磁性存儲(chǔ)器的設(shè)置方法及系統(tǒng)。該方法及系統(tǒng)包括設(shè)置 多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元、多根字線、多根位線。各所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元包括多個(gè) 磁性元件及至少一個(gè)選擇晶體管。各所述多個(gè)磁性元件能夠通過受驅(qū)動(dòng)經(jīng)過所 述磁性元件的寫電流利用自旋轉(zhuǎn)移感應(yīng)翻轉(zhuǎn)來進(jìn)行編程。各所述多個(gè)磁性元件 具有第一端及第二端。所述至少一個(gè)選擇晶體管耦合至各所述多個(gè)磁性元件的 所述第一端。所述多根字線與所述多個(gè)選擇晶體管耦合且選擇地致能所述多個(gè) 選擇晶體管中的一部分。
根據(jù)本文所揭露的該方法及系統(tǒng)，本發(fā)明提供了一種用于對(duì)磁性存儲(chǔ)器進(jìn) 行編程及讀取的機(jī)制，所述磁性存儲(chǔ)器包括能夠通過受驅(qū)動(dòng)經(jīng)過所述磁性元件 的寫電流，例如利用自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，來進(jìn)行編程的磁性元件。


圖1為現(xiàn)有磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器的圖示；
圖2為本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例的一部分的圖示；
圖3為本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器實(shí)施例的一部分的圖示； 圖4為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)器實(shí)施例的一部分的圖示； 圖5為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)器實(shí)施例的-一部分的圖示； 圖6為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)器實(shí)施例的一部分的圖示； 圖7為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)器實(shí)施例的--部分的圖示； 圖8為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)器實(shí)施例的一部分的圖示； 圖9為本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例的一部分的圖示； 圖10為本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例的一部分的剖視圖11為本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例的一部分的剖視圖； 圖12為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例的一部分的剖視圖； 圖13為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例的一部分的剖視圖； 圖14為本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例的一部分的詳細(xì)剖視圖； 圖15為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例的一部分的剖視圖； 圖16為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例的一部分的剖視圖； 圖17為示出本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器設(shè)置方法的實(shí)施例的流程圖； 圖18為示出本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器使用方法實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例
本發(fā)明涉及磁性存儲(chǔ)器。以下作為專利申請(qǐng)及其要件而提供的描述使得本 領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠制造及利用本發(fā)明。較佳實(shí)施例的各種修改以及本文中所 描述的普遍原理及特征對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是清楚明了的。由此，本發(fā) 明并不意欲限制為所示的實(shí)施例，而應(yīng)具有與本文所描述的原理及特征相一致 的最大范圍。
本發(fā)明提供了一種提供磁性存儲(chǔ)器的方法及系統(tǒng)。本方法及系統(tǒng)包括設(shè)置 多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元、多個(gè)字線及多個(gè)位線。該多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元各包括多個(gè)磁 性元件及至少一個(gè)選擇晶體管。該多個(gè)磁性元件各能夠通過受驅(qū)動(dòng)經(jīng)過該磁性 元件的寫電流利用自旋轉(zhuǎn)移激發(fā)翻轉(zhuǎn)來進(jìn)行編程。該多個(gè)磁性元件各具有第一 端及第二端。該至少一個(gè)選擇晶體管耦合至各磁性元件的該第一端。該多個(gè)字 線耦合至該多個(gè)選擇晶體管且可選擇地使該多個(gè)選擇晶體管中的一部分致能。
本發(fā)明以具有某些組件的特定磁性存儲(chǔ)器為背景來描述。本技術(shù)領(lǐng)域的技 術(shù)人員可容易地認(rèn)識(shí)到本發(fā)明與具有其他及/或附加組件的磁性存儲(chǔ)器的使用 相一致。此外，本發(fā)明以與該存儲(chǔ)器的某些部分相對(duì)應(yīng)的組件為背景描述。例 如，輔助線描述為與若干數(shù)量的磁性存儲(chǔ)單元相對(duì)應(yīng)。然而，本技術(shù)領(lǐng)域的技 術(shù)人員可容易地認(rèn)識(shí)到該組件可與另一的元件數(shù)量相對(duì)應(yīng)，例如，輔助線與另 一數(shù)量的磁性存儲(chǔ)單元相對(duì)應(yīng)。本發(fā)明的方法及系統(tǒng)亦以對(duì)單個(gè)磁性存儲(chǔ)單元 進(jìn)行讀取或?qū)懭霝楸尘懊枋觥Ｈ欢?，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易地認(rèn)識(shí)到本 方法及系統(tǒng)可擴(kuò)展為對(duì)基本平行的多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀取及/或?qū)懭?。本發(fā) 明以某些存儲(chǔ)器為背景描述。然而，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易地認(rèn)識(shí)到本 發(fā)明可與和本發(fā)明不相 一致的存儲(chǔ)器相兼容。
本發(fā)明亦以對(duì)自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的現(xiàn)有理解為背景描述。因此，本技術(shù)領(lǐng)域的 技術(shù)人員可容易地認(rèn)識(shí)到本方法及系統(tǒng)之性態(tài)的理論解釋是根據(jù)這一自旋轉(zhuǎn) 移的現(xiàn)有理解作出的。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員亦可容易地認(rèn)識(shí)到本方法及系統(tǒng) 是以與基底有某種特定關(guān)系的結(jié)構(gòu)為背景描述。例如，如閣所示，該結(jié)構(gòu)的底 部一般比該結(jié)構(gòu)的頂部更靠近在下面的基底。然而，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員可容易地認(rèn)識(shí)到本方法及系統(tǒng)與其他與該基底關(guān)系不同的結(jié)構(gòu)相容。此外， 本方法及系統(tǒng)以某些合成的或單一的層為背景描述。然而，本技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員可容易地認(rèn)識(shí)到這些層可為另外結(jié)構(gòu)。再者，本發(fā)明以具有特定層的 磁性元件為背景描述。然而，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可容易地認(rèn)識(shí)到亦可 使用具有與本發(fā)明不相一致的附加及/或不同層的磁性元件。此外，某些組件描 述為鐵磁性的。然而，如本文中所使用的，術(shù)語"鐵磁性"可包括亞鐵磁或類似 結(jié)構(gòu)。由此，如本文中所使用的，術(shù)語"鐵磁性"包括但不限于鐵磁體及亞鐵磁 體。
圖2為本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例100之一部分的圖示。磁性存儲(chǔ)單元
100包括磁性元件102及104及其共用的選擇晶體管106。使選擇晶體管106 致能以選擇磁性存儲(chǔ)單元100。通過驅(qū)動(dòng)寫電流經(jīng)過磁性元件102及104而對(duì) 磁性元件102及104編程。由此，磁性元件102及104使用自旋轉(zhuǎn)移來編程。 磁性元件102及104通過磁阻提供信號(hào)。較佳實(shí)施例中，磁性元件102及104 磁阻的量值基本相等。此外，磁性元件102及104的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(較佳為至少 一層自由層)的磁化最好為反平行對(duì)齊。 一個(gè)實(shí)施例中，磁性元件102及104 可為TMR結(jié)、雙TMR結(jié)，或者諸如下文所述的可使用自旋轉(zhuǎn)移來編程且使用 磁阻來提供的讀信號(hào)的其他磁性元件。選擇晶體管106最好為CMOS晶體管。
如前所述，磁性元件102及104的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的磁化為反平行對(duì)齊。假設(shè) 磁性元件102及104具有至少一層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(例如自由層)以及至少一層參 考(例如被釘扎)層。根據(jù)該寫操作，磁性元件102的記錄層的磁化被指向?yàn)?平行于該參考(被釘扎)層的磁化。此外，磁性元件104的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(例如 自由層)的磁化以該翻轉(zhuǎn)電流的方向被指向?yàn)榉雌叫杏谠搮⒖?被釘扎)層的 磁化。這一磁化形式代表邏輯'T'。若以相反方向驅(qū)動(dòng)該翻轉(zhuǎn)電流，則磁性元件 102及104的存儲(chǔ)層的磁化顛倒。因此，TMR元件102的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的磁化被 指向?yàn)榉雌叫杏谠搮⒖?被釘扎)層的磁化，而磁性元件104的記錄層的磁化 被指向?yàn)槠叫杏谠搮⒖紝拥拇呕＿@一形式代表邏輯"O"。
讀取過程中，各磁性元件102及104的端部之間有電位差。該輸出為差分 信號(hào)。流經(jīng)該與磁性元件102及104端部耦合的線的電流中該差的量值可指示 磁性存儲(chǔ)單元100中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。較佳實(shí)施例中，對(duì)于上述的邏輯'T'，磁性元 件102及104的電阻分別為R(I-MR/2)與R(1+MR/2)。由此，盡管該電阻改變，
但該磁阻較佳地保持不變。電流Ii。2及Ii。4以某個(gè)偏置電壓(Vbias)分別流經(jīng)磁
性元件102及104。由此，對(duì)于邏輯'T'， I1Q2為Vb啦/[R(l-MR/2)]而1104為 Vbias/[R(l+MR/2)]。由此'對(duì)于邏輯"l"， I旭大于Ii。4。類似地，當(dāng)存儲(chǔ)邏輯"0" 時(shí)，Im小于lm。較佳實(shí)施例中，當(dāng)磁性元件102與104的磁阻相等，電流[102
及IK)4的差為Vblas/RxMR。由此，該磁性存儲(chǔ)單元可所提供的信號(hào)大于現(xiàn)有的
磁性存儲(chǔ)器。此外，由于磁性元件102與104共用一個(gè)選擇晶體管106，可減 小或消除由該晶體管106特性曲線的波動(dòng)造成的噪聲。因此，性能得以改進(jìn)。
圖3為本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器實(shí)施例IIO的一部分的圖示。磁性存儲(chǔ)器110 采用磁性存儲(chǔ)單元100。磁性存儲(chǔ)器IIO包括字線112-1至112-n、位線114、 位選擇線116、位選擇晶體管118、數(shù)據(jù)線120、數(shù)據(jù)線122 (其所攜帶信號(hào)為 數(shù)據(jù)線120所攜帶信號(hào)的反演)、字選擇線124、字選擇晶體管126及128、 數(shù)據(jù)選擇線130、數(shù)據(jù)選擇晶體管132及134、讀出放大器136以及位線段138-1 至138-n。位線段138-1至138-n將存儲(chǔ)單元IOO耦合至位線114。字選擇線124 用于致能字選擇晶體管126及128。數(shù)據(jù)選擇線BO用于致能數(shù)據(jù)選擇晶體管 132及134。各磁性元件102及104的一端連接至選擇晶體管106。磁性元件 102及104的另一端分別耦合至數(shù)據(jù)線120及122。偏壓箝位電路(未示)與 數(shù)據(jù)線120及122耦合以用于編程操作，并且耦合至位線114以用于讀取操作。 晶體管118、 126、 128、 132及134可為CMOS晶體管。磁性存儲(chǔ)器110中， 磁性存儲(chǔ)單元IOO的工作方式與圖2所示的磁性存儲(chǔ)單元100類似。較佳實(shí)施 例中，磁性元件102及104兩者的電阻不同而磁阻相同。
工作中，通過驅(qū)動(dòng)寫電流經(jīng)過磁性元件102及104以使用該自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng) 來翻轉(zhuǎn)該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的磁化而對(duì)磁性存儲(chǔ)器110編程。為了對(duì)諸如與字線112-1 耦合的單元的一個(gè)單元編程，通過使用字線112-1激活選擇晶體管106而激活 該單元。此外，使用位選擇線116及字選擇線124分別激活位選擇晶體管118 與字選擇晶體管126及128。亦使用數(shù)據(jù)選擇線130禁能數(shù)據(jù)選擇晶體管132 及134。通過向數(shù)據(jù)線120與122設(shè)定高電壓(例如VDD)且向位線114設(shè)定 低電壓(例如0)以使電流以適當(dāng)方向流經(jīng)磁性元件102及104而將數(shù)據(jù)編程 至磁性元件102及104，反之亦然。
如前所述，磁性元件102及104的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的磁化為反平行對(duì)齊。當(dāng)以 該第一方向驅(qū)動(dòng)該電流之時(shí)的編程操作過程中，磁性元件102及104的數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)層的磁化最好分別與其參考層的磁化平行及反平行對(duì)齊。這一形式代表邏輯 "1"。若該翻轉(zhuǎn)電流顛倒且磁性元件102及104的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層兩者的磁化顛倒， 則達(dá)成代表邏輯"O"的形式。
通過使用字線112-1激活選擇晶體管106而讀取磁性存儲(chǔ)單元100。此外， 使用數(shù)據(jù)選擇線130與位選擇線116分別激活數(shù)據(jù)選擇晶體管132及134與位 選擇晶體管118。關(guān)斷字選擇晶體管126及128。此外，在數(shù)據(jù)線120及122 與位線114之間施加偏置電壓。如前所述，若該流經(jīng)數(shù)據(jù)線120的電流大于該 流經(jīng)數(shù)據(jù)線122的電流，則磁性存儲(chǔ)單元100中存儲(chǔ)邏輯'T'。類似地，若該該 流經(jīng)數(shù)據(jù)線120的電流小于該流經(jīng)數(shù)據(jù)線122的電流，則磁性存儲(chǔ)單元100中
存儲(chǔ)邏輯"0"。如前所述，磁阻相同的磁性元件102與104的該電流差為 Vbias/RxMR，其中Vb則為該偏置電壓，磁性元件102與104的電阻為R(l-MR/2) 和R(l+MR/2)， MR為磁性元件102與104的磁阻。
由此，磁性存儲(chǔ)器110提供較大的信號(hào)，其對(duì)于讀取存儲(chǔ)器來說是有利的。 由于磁性元件102與104的兩者共用單個(gè)選擇晶體管106，可減少或消除附加 的選擇晶體管(未示)特性曲線的波動(dòng)而造成的噪聲。再者，因數(shù)據(jù)線120或 122的寄生電容造成的時(shí)間延遲最好為小于納秒數(shù)量級(jí)。因此，磁性存儲(chǔ)器110 的速度得以改進(jìn)。然而應(yīng)注意，列中剩余的未被選擇的單元可能成為數(shù)據(jù)線120 與122間的分路。這樣，電流差減小，從而該信號(hào)減小，顯著地受該些數(shù)據(jù)線 的線阻的影響。例如， 一些實(shí)施例中，預(yù)期有幾千個(gè)磁性存儲(chǔ)單元IOO在一個(gè) 單元塊內(nèi)耦合而不會(huì)不適當(dāng)?shù)赜绊懶阅堋?br> 圖4為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)器實(shí)施例140—部分的圖示。磁性存儲(chǔ)器140 采用磁性存儲(chǔ)單元100。磁性存儲(chǔ)器140包括字線142-1至142-n、位線144、 位選擇線146、位選擇晶體管148、數(shù)據(jù)線150、數(shù)據(jù)線152 (其所攜帶信號(hào)為 數(shù)據(jù)線150所攜帶信號(hào)的反演)、字選擇線154、字選擇晶體管156及158、 數(shù)據(jù)選擇線160、數(shù)據(jù)選擇晶體管162及164、讀出放大器166以及位線段168-1,2 至168-n-l,n。位線段168-1,2至168-n-l,n將存儲(chǔ)單元100耦合至位線144。-字 選擇線154用于致能字選擇晶體管156及158。數(shù)據(jù)選擇線160用于致能數(shù)據(jù) 選擇晶體管162及164。各磁性元件102及104的一端連接至選擇晶體管106。 磁性元件102及104的另一端分別耦合至數(shù)據(jù)線150及152。偏壓箝位電路(未 示)與數(shù)據(jù)線150及152耦合以用于編程操作，并且耦合至位線144以用于讀 取操作。晶體管148、 156、 158、 162及164可為CMOS晶體管。
磁性存儲(chǔ)器MO與圖3所示的磁性存儲(chǔ)器110類似。圖4的磁性存儲(chǔ)器140 的工作方式亦與圖3所示的磁性存儲(chǔ)器IIO類似。磁性存儲(chǔ)器140中，磁性存 儲(chǔ)單元100的工作方式與圖2所示的磁性存儲(chǔ)單元100類似。較佳實(shí)施例中， 磁性元件102及104兩者的電阻不同而磁阻相同。因此，磁性存儲(chǔ)器140也有 磁性存儲(chǔ)器110中的許多優(yōu)點(diǎn)。此外，磁性存儲(chǔ)器140中，磁性存儲(chǔ)單元100 被分成對(duì)。分成這樣的磁性存儲(chǔ)單元.IOO對(duì)，即對(duì)中的選擇晶體管106共用漏 極以及共用將磁性存儲(chǔ)單元IOO連接至位線144的位線段168-i，j。由此，舉例 來說，位線段168-1,2耦合至該前兩個(gè)磁性存儲(chǔ)單元的選擇晶體管106的漏極。 因此，位線段168-i,j的數(shù)量為n/2。從而，將該些磁性存儲(chǔ)單元耦合至位線144 的位線段168-i,j的數(shù)量減少一半。因此，可明顯增大磁性存儲(chǔ)器140的密度。
圖5為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)器實(shí)施例170—部分的圖示。磁性存儲(chǔ)器170 采用磁性存儲(chǔ)單元i00。磁性存儲(chǔ)器170包括字線172-1至172-n、位線174、 輔助位選擇線176、輔助位選擇晶體管178、數(shù)據(jù)線180、數(shù)據(jù)線182 (其所攜
帶信號(hào)為數(shù)據(jù)線180所攜帶信號(hào)的反演)、輔助數(shù)據(jù)線181、輔助數(shù)據(jù)線183 (其所攜帶信號(hào)為輔助數(shù)據(jù)線181所攜帶信號(hào)的反演)、字選擇線184、字選 擇晶體管186及188、數(shù)據(jù)選擇線190、數(shù)據(jù)選擇晶體管192及194、讀出放大 器196以及位線段198-1至198-n,。位線段198-1至198-n將存儲(chǔ)單元100耦 合至位線174。字選擇線184用于致能字選擇晶體管186及188。數(shù)據(jù)選擇線 190用于致能數(shù)據(jù)選擇晶體管192及194。各磁性元件102及104的一端連接 至選擇晶體管106。磁性元件102及104的另一端分別耦合至數(shù)據(jù)線180及182。 偏壓箝位電路(未示)與數(shù)據(jù)線180及182耦合以用于編程操作，并且耦合至 位線174以用于讀取操作。晶體管178、 186、 188、 192及194可為CMOS晶 體管。磁性存儲(chǔ)器170中，磁性存儲(chǔ)單元100的工作方式與圖2所示的磁性存 儲(chǔ)單元100類似。較佳實(shí)施例中，磁性元件102及104兩者的電阻不同而磁阻 相同。
磁性存儲(chǔ)器170與圖3所示的磁性存儲(chǔ)器110類似。圖5的磁性存儲(chǔ)器170 的工作方式亦與圖3所示的磁性存儲(chǔ)器IIO類似。因此，磁性存儲(chǔ)器170也有 磁性存儲(chǔ)器110的許多優(yōu)點(diǎn)。此外，使用了輔助位線176與輔助數(shù)據(jù)線181及 183。輔助數(shù)據(jù)線181及183通過選擇晶體管186及188分別連接至數(shù)據(jù)線180 及182。類似地，輔助位選擇線176通過選擇晶體管176耦合至位線174。磁 性元件102及104的端耦合至輔助數(shù)據(jù)線181及183而不是數(shù)據(jù)線。磁性元件 102及104仍在另一端處連接至選擇晶體管106。采用輔助數(shù)據(jù)線181及183 以形成輔助陣列，所述輔助陣列具有數(shù)量較少的磁性存儲(chǔ)單元100，從而不會(huì) 極大地增加磁性存儲(chǔ)器IOO所占據(jù)的總面積。通過使用該輔助陣列、輔助數(shù)據(jù) 線181及183、輔助位線176以及造成的該輔助陣列中磁性存儲(chǔ)單元100數(shù)量 的減少，可避免因存儲(chǔ)單元增加而造成的輸出信號(hào)的減小。
圖6為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)器實(shí)施例200—部分的圖示。磁性存儲(chǔ)器200 采用磁性存儲(chǔ)單元100。磁性存儲(chǔ)器200包括字線202-1至202-n、位線204-1 至204-n、數(shù)據(jù)線210、數(shù)據(jù)線212 (其所攜帶信號(hào)為數(shù)據(jù)線210所攜帶信號(hào)的 反演)、字選擇線214、字選擇晶體管216及218、數(shù)據(jù)選擇線220、數(shù)據(jù)選擇 線224 (其所攜帶信號(hào)為數(shù)據(jù)選擇線220所攜帶信號(hào)的反演)、數(shù)據(jù)選擇晶體 管222及226、讀出放大器228-1至228n以及附加數(shù)據(jù)線229 (其所攜帶信號(hào) 為數(shù)據(jù)選擇線220所攜帶信號(hào)的反演)。字選擇線214用于致能字選擇晶體管 216或218。數(shù)據(jù)選擇線220及224分別用于致能數(shù)據(jù)選擇晶體管222及226。 各磁性元件102及104的一端連接至選擇晶體管106。磁性元件102及104的 另一端分別耦合至數(shù)據(jù)線210及212。偏壓箝位電路(未示)與數(shù)據(jù)線210及 212耦合以用于編程操作。晶體管216、 218、 222及226可為CMOS晶體管。
磁性存儲(chǔ)器200與圖3所示的磁性存儲(chǔ)器ll()類似。對(duì)于編程，圖6的磁
性存儲(chǔ)器200的工作方式亦與圖3所示的磁性存儲(chǔ)器110類似。因此，磁性存 儲(chǔ)器200也有磁性存儲(chǔ)器IIO的許多優(yōu)點(diǎn)。此外，磁性存儲(chǔ)器200中，數(shù)據(jù)線 210接地。單個(gè)位線204-1至204-n與獨(dú)立的差分感測(cè)放大器228-1至228-n — 個(gè)個(gè)地耦合。對(duì)于讀取，使用字線202-1致能選擇晶體管106。此外，使用數(shù) 據(jù)選擇線220及224分別致能數(shù)據(jù)選擇晶體管222及226。再者，禁能字選擇 晶體管216及218。通過數(shù)據(jù)線229向磁性存儲(chǔ)單元IOO施加偏置電壓。
磁性存儲(chǔ)器200中，磁性存儲(chǔ)單元200的工作方式與圖2所示的磁性存儲(chǔ) 單元100類似。較佳實(shí)施例中，磁性元件102及104兩者的電阻不同而磁阻相 同。再參見圖6，對(duì)于存儲(chǔ)于磁性存儲(chǔ)單元100中的邏輯"l"，磁性元件102的 電阻為R(I -MR/2)而磁性元件104的電阻為R(1+MR/2)。因此，位線204-1感應(yīng) 的電壓為Vbias/2x(l-MR/2)。該實(shí)施例中，對(duì)于邏輯"O"，位線204-1感應(yīng)的電壓 為Vbias/2x(l+MR/2)。 一個(gè)實(shí)施例中，參考電壓設(shè)為VREF = Vbias/2。該實(shí)施例中， 通過比較該信號(hào)電壓與該參考電壓可區(qū)別該邏輯"0"及邏輯"1"。由此，除磁性 存儲(chǔ)器IIO所提供的優(yōu)點(diǎn)之外，該輸出信號(hào)并不取決于該流經(jīng)磁性元件102及 104的電流。由此，該輸出信號(hào)不取決于可能因單元陣列中的單元數(shù)量而發(fā)生 改變的電流。因此，可減輕取決于該偏置電壓的磁阻比下降。此外，選擇晶體 管106的特性曲線的波動(dòng)不會(huì)對(duì)磁性存儲(chǔ)器200造成不利影響。
圖7為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)器實(shí)施例240—部分的圖示。磁性存儲(chǔ)器240 采用磁性存儲(chǔ)單元100。磁性存儲(chǔ)器240包括字線242-1至242-n、位線244-1 至244-n、電流轉(zhuǎn)換電路245、位選擇線246-1至246-n(簡(jiǎn)明起見，僅示出246-1 及246-2)、位選擇晶體管248-1至248-n(簡(jiǎn)明起見，僅示出248-1及248-2)、 數(shù)據(jù)線250、數(shù)據(jù)線252 (其所攜帶信號(hào)為數(shù)據(jù)線250所攜帶信號(hào)的反演)、 字選擇線254、字選擇晶體管256及258、數(shù)據(jù)選擇線260、數(shù)據(jù)選擇線264 (其 所攜帶信號(hào)為數(shù)據(jù)選擇線260所攜帶信號(hào)的反演)、數(shù)據(jù)選擇晶體管262及266、 附加數(shù)據(jù)線268 (其所攜帶信號(hào)為數(shù)據(jù)選擇線250所攜帶信號(hào)的反演)、讀出 放大器以及電流轉(zhuǎn)換電路245。電流轉(zhuǎn)換電路245包括電阻273、晶體管272 及274，以及電容276。字選擇線254用于致能字選擇晶體管256或258。數(shù)據(jù) 選擇線260及264分別用于致能數(shù)據(jù)選擇晶體管262及266。各磁性元件102 及104的一端連接至選擇晶體管106。磁性元件102及104的另一端分別耦合 至數(shù)據(jù)線250與數(shù)據(jù)線252及268。偏壓箝位電路(未示)與數(shù)據(jù)線250及252 耦合以用于編程操作，并且耦合至數(shù)據(jù)線268以用于讀取操作。晶體管248-1 至248-n、 256、 258、 262、 266、 272及274可為CMOS晶體管。較佳實(shí)施例 中，磁性元件102及104兩者的電阻不同而磁阻相同。
磁性存儲(chǔ)器240與圖3所示的磁性存儲(chǔ)器110以及圖6所示的磁性存儲(chǔ)器 200類似。對(duì)于編程，圖7的磁性存儲(chǔ)器240的工作方式亦與圖3所示的磁性
存儲(chǔ)器110類似。對(duì)于讀取，磁性存儲(chǔ)器240的工作方式亦與圖6所示的磁性 存儲(chǔ)器200類似。再參見圖7，磁性存儲(chǔ)器240由此也有磁性存儲(chǔ)器110及200 的許多優(yōu)點(diǎn)。此外，位線244-1至244-n耦合至至少一個(gè)電流轉(zhuǎn)換電路245。在 電流轉(zhuǎn)換電路245中將該讀取操作中該電壓的波動(dòng)轉(zhuǎn)換為電流差，并且通過相 應(yīng)磁性存儲(chǔ)元件100的位線244-1至244-n提供至放大器270。此外，可通過縮 短位線244-1至244-n來減小因位線244-1至244-n造成的延遲。從而，漂移電 容及線阻得以減少。因此，磁性存儲(chǔ)器240的速度得以增加。
圖8為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)器實(shí)施例280—部分的圖示。磁性存儲(chǔ)器280 采用磁性存儲(chǔ)單元100。磁性存儲(chǔ)器280包括字線282-1至282-n、位線284、 位選擇線286、位選擇晶體管288、數(shù)據(jù)線290-1至290-n、數(shù)據(jù)線292 (其所 攜帶信號(hào)為數(shù)據(jù)線2卯-l至290-n所攜帶信號(hào)的反演)、附加數(shù)據(jù)線292、數(shù)據(jù) 選擇線296及使用數(shù)據(jù)選擇線296來致能的晶體管294、 298、 300及302等，。 各磁性元件102及104的一端連接至選擇晶體管106。磁性元件102及104的 另一端分別耦合至數(shù)據(jù)線290-1至290-n與292。偏壓箝位電路(未示)與數(shù)據(jù) 線290-1至290-n與292耦合以用于編程操作，并且耦合至數(shù)據(jù)線284以用于 讀取操作。諸如晶體管288、 294、 298、 300及302的晶體管可為CMOS晶體 管。較佳實(shí)施例中，磁性元件102及104兩者的電阻不同而磁阻相同。
磁性存儲(chǔ)器280與圖3所示的磁性存儲(chǔ)器110類似。再參見圖7，磁性存 儲(chǔ)器280由此也有磁性存儲(chǔ)器110及200的許多優(yōu)點(diǎn)。此外，磁性存儲(chǔ)器280 中，磁性元件102的一端連接至獨(dú)立的數(shù)據(jù)線290-1至290-n。磁性元件104 的另一端連接至共用的數(shù)據(jù)線292。所有的數(shù)據(jù)線290-1至290-n連接至相應(yīng)的 選擇晶體管，如選擇晶體管298、 300及302，這些晶體管僅在相應(yīng)的編程過程 中被激活。類似地，共用數(shù)據(jù)線292連接至僅在信息寫入操作過程中被激活的 選擇晶體管294。各存儲(chǔ)單元100使用一個(gè)額外的晶體管(諸如晶體管298、 300及302)而以器件密度為代價(jià)將這些存儲(chǔ)單元各自分開。信息讀取過程中， 數(shù)據(jù)線290-1至290-n及292并沒有被未選擇的單元短路。由此，可預(yù)期具穩(wěn) 定性及高功耗效率的操作。
圖9-16示出了可用于磁性存儲(chǔ)器110、 140、 170、 200、 240及280中的 磁性存儲(chǔ)單元100的多種實(shí)施例。然而，可使用其他磁性存儲(chǔ)單元，更具體地， 可使用其他磁性元件。
圖9-11為本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例100'之一部分的圖示。圖9示出 了磁性存儲(chǔ)單元100'的俯視圖。圖10為本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例100 —部 分的沿A-A'線的剖視圖。圖11為本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例一部分的沿B-B' 線的剖視圖。示出了磁性元件102'與104'以及選擇晶體管106'。具體地，示出 了選擇晶體管106'的源極322、漏極318及柵極320以及磁性元件102'的鐵磁
體層310和316與磁性元件104'的鐵磁體層314及316。此外，示出了磁性元 件102'與104'各自的單元板313及317。再者，從圖9-11可以看出磁性元件102' 與104'的存儲(chǔ)層的磁化為反平行對(duì)齊。清楚起見，以磁性存儲(chǔ)器IIO為背景描 述磁性存儲(chǔ)單元100'。從而，亦示出了數(shù)據(jù)線120'及122'。
如圖9-11所示，這些磁性元件最好形成在硅基底上的半導(dǎo)體電路的頂層 上。此外，單元板313及317分別位于各磁性元件102'與104'的底部。單元板 313及317通過接觸部324連接至漏區(qū)318。相鄰的存儲(chǔ)單元陣列的存儲(chǔ)單元 共用源區(qū)322，并且該源區(qū)連接至位線。由于該兩個(gè)磁性元件102'與104'共用 一個(gè)選擇晶體管106'，因此能夠通過將一個(gè)磁性元件102'/104'裝在另一磁性元 件104V102'的頂部而減少磁性存儲(chǔ)單元100'所占據(jù)的區(qū)域。與其中有兩個(gè)自身 帶有晶體管的磁性元件的磁性存儲(chǔ)單元(未示)相比，大致可減少為一半。
圖12為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例IOO"的一部分的剖視圖。磁性 存儲(chǔ)單元IOO"包括磁性元件102"與104"。磁性元件102"與104"示為TMR結(jié)。 由此，磁性存儲(chǔ)單元102"包括種子層350、反鐵磁(AFM)層352、參考(被 釘扎)層354、穿隧勢(shì)壘層362、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(自由)層364及覆蓋層366。參考 層354為包括由非磁性間隔層358隔開的鐵磁層356及360的合成被釘扎層。 在所示的實(shí)施例中，鐵磁層356及360的磁化為反平行對(duì)齊。類似地，磁性存 儲(chǔ)單元104"包括種子層368、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(自由)層370、穿隧勢(shì)壘層372、參考 (被釘扎)層374、 AFM層382及覆蓋層384。參考層374為包括由非磁性間 隔層378隔開的鐵磁層376及380的合成被釘扎層。在所示的實(shí)施例中，鐵磁 層376及380的磁化為反平行對(duì)齊。此外，盡管圖12所示為并排放置，但可 垂直放置磁性元件102"與104"，最好是磁性元件102"位于磁性元件104"之上。
如圖12所示，磁性元件102"為底部被釘扎(參考層354在下方/更靠近該 基底)而磁性元件104"為頂部被釘扎。這樣，在利用自旋轉(zhuǎn)移電流感應(yīng)翻轉(zhuǎn)進(jìn) 行寫入操作的過程中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層364及370的磁化分別與參考層354及374 的磁化平行或反平行。
圖13及14為本發(fā)明的另一磁性存儲(chǔ)單元實(shí)施例IOO"'的一部分的剖視圖。 由此，示出了磁性元件102"與104"以及晶體管106"與接觸部436。磁性元件104" 包括種子層400、 AFM層402、參考(被釘扎)層404、穿隧勢(shì)壘層412、數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)(自由)層414及覆蓋層416。參考層404為包括由非磁性間隔層408隔 開的鐵磁層406及410的合成被釘扎層。在所示的實(shí)施例中，鐵磁層406及410 的磁化為反平行對(duì)齊。類似地，磁性元件102"'包括種子層418、 AFM層420、 參考(被釘扎)層422、穿隧勢(shì)壘層430、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(自由)層432及覆蓋層 434。參考層422為包括由非磁性間隔層426隔開的鐵磁層424及428的合成 被釘扎層。在所示的實(shí)施例中，鐵磁層424及428的磁化為反平行對(duì)齊。淸楚
起見，以磁性存儲(chǔ)器110為背景描述磁性存儲(chǔ)單元100"'，這樣數(shù)據(jù)線120及 122得以示出。
在所示的磁性存儲(chǔ)單元100"'中，磁性元件102'"與104"'共用由層416與418 形成的單獨(dú)單元板。這樣，可更方便地制造單元100'"。此外，磁性元件102' 與104'的特性曲線的波動(dòng)得以減小。
圖15為本發(fā)明的另一磁性元件440的一部分的剖視圖。磁性元件440可 用作磁性元件102或磁性元件104。磁性元件440包括種子層442、AFM層444、 參考層446、穿隧勢(shì)壘層454、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(自由)層456、為穿隧勢(shì)壘層或者非 磁性傳導(dǎo)間隔層的附加間隔層458、另一參考(被釘扎)層460、 AFM層462 及覆蓋層464。參考層446為包括由傳導(dǎo)、非磁性間隔層450隔開的鐵磁層448 及453的合成層。
可較容易地制造磁性元件440。此外，磁性元件440的自旋轉(zhuǎn)移感應(yīng)翻轉(zhuǎn) 電流得以降低。這樣，寫入磁性元件440所需的寫電流顯著減小。因此，采用 磁性元件440的磁性存儲(chǔ)器的密度得以增加，其部分原因是選擇晶體管106所 占據(jù)的尺寸減小了。再者，采用磁性存儲(chǔ)單元100的磁性存儲(chǔ)器的功耗得以顯 著降低。
圖16為本發(fā)明的另一磁性元件470的一部分的剖視圖。磁性元件470可 用作磁性元件102或磁性元件104。磁性元件470包括種子層472、AFM層474、 參考層476、穿隧勢(shì)壘層488、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(自由)層490、間隔層492、附加自 由層494、為穿隧勢(shì)壘層或者非磁性傳導(dǎo)間隔層的層496、另一參考(被釘扎) 層498、 AFM層500及覆蓋層502。參考層476為包括由傳導(dǎo)、非磁性間隔層 450隔開的鐵磁層478、 482及486的合成層。
可較容易地制造磁性元件470。此外，磁性元件470的自旋轉(zhuǎn)移感應(yīng)翻轉(zhuǎn) 電流得以降低。這樣，寫入磁性元件470所需的寫電流顯著減小。因此，采用 磁性元件470的磁性存儲(chǔ)器的密度得以增加，其部分原因是選擇晶體管106所 占據(jù)的尺寸減小，并且這些磁性存儲(chǔ)器的功耗得以顯著降低。
對(duì)于磁性元件102、 102'、 102"、 102'"、 104、 104'、 104"及104'"，各種層 可采用各種材料。該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層或自由層414、 432、 456、 490及/或494最好 包括Co、 Fe及M中至少之一。 一些實(shí)施例中，自由層414、 432、 456、 4卯 及/或494包括至少一個(gè)濃度最好不超過30原子百分比的非晶形成組分。 一個(gè) 實(shí)施例中，該非晶形成組分包括硼。利用該非晶形成組分的該濃度，可將自由 層414、 432、 456、 490及/或494的飽和磁化設(shè)計(jì)為在400至1500 emu/cm3。 此外，自由層414、 432、 456、 490及/或494可為例如鐵磁或亞鐵磁材料的單 層。該鐵磁材料包括下列材料中的至少一種Co、含5 40原子百分比Fe的 CoFe、含5 40原子百分比Fe及5 30原子白分比B的CoFeB、含5 40原子百
分比Fe及5 30原子百分比Ta的CoFeTa、含約20原子百分比Fe的NiFe、含5 40原子百分比Pt的CoPt、含5 40原子百分比Pd的CoPd、含5 40原子百分比 Pt的FePt、 Co2MnAl、 Co2MnSi或者Co2CrAl、 Co2CrSi、 Co2FeAl及Co2FeSi。。 該亞鐵磁材料包括含15 30原子百分比Gd的CoGd以及含10 40原子百分比 Gd的FeGd中至少之一。
自由層414、 432、 456、 490及/或494亦可為多層結(jié)構(gòu)。該多層可僅由鐵 磁層制成，或者由鐵磁層與非鐵磁層的組合構(gòu)成。該鐵磁材料包括下列材料中 的至少一種Co、含5 40原子百分比Fe的CoFe、含5 40原子百分比Fe及5 30原子百分比B的CoFeB、含5 40原子百分比Fe及5 30原子百分比Ta的 CoFeTa、含約20原子百分比Fe的NiFe、含5 40原子百分比Pt的CoPt、含5 40原子百分比Pd的CoPd、含5 40原子百分比Pt的FePt、 Co2MnAl、 Co2MnSi 或者Co2CrAl、 Co2CrSi、 Co2FeAl及Co2FeSi。 一個(gè)實(shí)施例中，自由層414、 432、 456、 490及/或494為包括鐵磁層以及至少-一層非鐵磁層的多層結(jié)構(gòu)，所述非 鐵磁層將所述多個(gè)鐵磁層的各部分隔開。該實(shí)施例中，該非鐵磁層包括Ru、 Rh、 Re、 Cr及Cu中至少之一。亦在該實(shí)施例中，交替的鐵磁層的磁化為反平 行對(duì)齊。然而，亦可使用另一磁化對(duì)齊。
這些參考層或被釘扎層404、 422、 446、 476及/或498最好包括Co、 Fe 及Ni中至少之一。 一些實(shí)施例中，被釘扎層404、 422、 446、 476及/或498包 括至少一個(gè)濃度最好不超過30原子百分比的非晶形成組分。 一實(shí)施例中，該 非晶形成組分包括硼。此外，被釘扎層404、 422、 446、 476及/或498可為例 如鐵磁或亞鐵磁材料的單層。該鐵磁材料包括下列材料中的至少一種Co、含 5 40原子百分比Fe的CoFe、含5 40原子百分比Fe及5 30原子百分比B的 CoFeB、含5 40原子百分比Fe及5 30原子百分比Ta的CoFeTa、含約20原 子百分比Fe的NiFe、含5 40原子百分比Pt的CoPt、含5 40原子百分比Pd 的CoPd、含5 40原子百分比Pt的FePt、 Co2MnAl、 Co2MnSi或者Co2CrAl、 Q)2CrSi、C02FeAl及Co2FeSi。該亞鐵磁材料包括含15 30原子百分比Gd的CoGd 以及含10 40原子百分比Gd的FeGd中至少之一。
被釘扎層404、 422、 446、 476及/或498亦可為多層結(jié)構(gòu)。該多層可僅由 鐵磁層制成，或者由鐵磁層與非鐵磁層的組合構(gòu)成。該鐵磁材料包括下列材料 中的至少一種Co、含5 40原子百分比Fe的CoFe、含5 40原子百分比Fe 及5 30原子百分比B的CoFeB、含5 40原子百分比Fe及5 30原子百分比 Ta的CoFeTa、含約20原子百分比Fe的NiFe、含5 40原子百分比Pt的CoPt、 含5 40原子百分比Pd的CoPd、含5 40原子百分比Pt的FePt、 Co2MnAl、 Co2MnSi或者Co2CrAl、 Co2CrSi、 Co2FeAl及Co2FeSi。 一個(gè)實(shí)施例中，被釘 扎層404、 422、 446、 476及Z或498為包括鐵磁層以及至少一層非鐵磁層的多
層結(jié)構(gòu)，所述非鐵磁層將所述多個(gè)鐵磁層的各部分隔開。該實(shí)施例中，該非鐵
磁層包括Ru、 Rh、 Re、 Cr及Cu中至少之一。亦在該實(shí)施例中，交替的鐵磁 層的磁化為反平行對(duì)齊。然而，亦可使用另一磁化對(duì)齊。
磁性元件102、 102'、 102"、 102'"、 104、 104'、 104"及104'"亦可包括一或 多層穿隧勢(shì)壘層362、 372、 412、 430、 454、 458、 488及/或496。穿隧勢(shì)壘層 362、 372、 412、 430、 454、 458、 488及/或496包括含40 70原子百分比O的 AIO、含30 60原子百分比0的MgO、含40 70原子百分比0及含2 30原 子百分比N的A10N、含30 60原子百分比N的A1N、 AlZrO、 AlHfO、 AlTiO 及AlTaO中至少之一。 一些實(shí)施例中，穿隧勢(shì)壘層362、 372、 412、 430、 454、 458、 488及/或496可由單層或多層構(gòu)成、穿隧勢(shì)壘層362、 372、 412、 430、 454、 458、 488及/或496的厚度最好為至少5埃且不超過40埃。此外，穿隧 勢(shì)壘層362、 372、 412、 430、 454、 458、 488及/或496的電阻 一面積乘積最好 為低。較佳實(shí)施例中，這一電阻一面積乘積為10 100Q屮m2。間隔層496為導(dǎo) 電的且包括Cu、 Ag、 Pt、 Al、 Ru、 Re、 Rh、 Ta及Ti或其合金中至少之一。間 隔層496亦可包括如下所述的納米氧化層(NOL)。
若NOL用作間隔層496，則可通過對(duì)初始金屬原料進(jìn)行沉積，然后使用 自然氧化及/或等離子氧化對(duì)該沉積膜進(jìn)行氧化而形成該NOL。另一實(shí)施例中， 可使用射頻濺射初始氧化原料而形成該NOL。另一實(shí)施例中，該NOL或可為 磁性的，至少為部分磁性的。該初始金屬原料可為被釘扎層或自由層所常用的 材料，例如磁性材料CoFe、 CoFeB及非磁性材料Al、 Ta、 Ru及Ti。例如，該 結(jié)構(gòu)中NOL亦可為Cu/CoFe、 FeSi、 Al、 Ta、 Ru或Ti/NOL/Cu。
一些實(shí)施例中，磁性元件102、 102'、 102"、 102"'、 104、 104'、 104"及/或 104'"也包括至少一層間隔層492。該間隔層492最好包括Cu、 Ag、 Pt、 Al、 Ru、 Re、 Rh、 Ta及Ti或其合金中至少之一。
磁性元件102、 102'、 102"、 102"'、 104、 104'、 104"及104"'亦包括八FM 層352、 382、 402、 420、 444、 462、 474及500。較佳實(shí)施例中，AFM層352、 382、 402、 420、 444、 462、 474及500中至少之一包括PtMn、 IrMn及類似物。
圖17為示出本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器設(shè)置方法的實(shí)施例550的流程圖。通過 步驟552，設(shè)置多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元100。設(shè)置磁性存儲(chǔ)單元100包括設(shè)置多個(gè) 能夠通過受驅(qū)動(dòng)經(jīng)過該磁性元件的寫電流利用自旋轉(zhuǎn)移激發(fā)翻轉(zhuǎn)來進(jìn)行編程 的磁性元件102與104。各磁性元件102與104具有第一端及第二端。亦將該 至少一個(gè)選擇晶體管耦合至各個(gè)磁性元件的第一端。通過歩驟554，設(shè)置多根 字線以使該字線與該選擇晶體管耦合、并且選擇地致能該多個(gè)選擇晶體管中的 一部分。通過歩驟556，設(shè)置多根位線。然后通過歩驟558，完成該器件。
利用方法550，可設(shè)置磁性存儲(chǔ)單元100以及存儲(chǔ)器110、 140、 170、 200、
240及280。因此，設(shè)置了一種利用局部現(xiàn)象(自旋轉(zhuǎn)移)來翻轉(zhuǎn)的磁性存儲(chǔ) 器。由于該器件密度隨著半導(dǎo)體或CMOS技術(shù)發(fā)展的成比例縮小法則而增大， 該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的磁化的電流感應(yīng)翻轉(zhuǎn)所需的寫電流減小。結(jié)果，使用方法550 形成的磁性存儲(chǔ)器110、 140、 170、 200、 240及280功耗較低，因此晶體管106 的尺寸較小。此外，磁性存儲(chǔ)器IIO、 140、 170、 200、 240及280將達(dá)成更快 寫入及讀取時(shí)間以及上述的其他優(yōu)點(diǎn)。
圖18為示出本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器、諸如磁性存儲(chǔ)器IIO、 140、 170、 200、 240或280的使用方法實(shí)施例560的流程圖。對(duì)于編程操作，通過步驟562, 驅(qū)動(dòng)寫電流經(jīng)過該多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元100的一部分。各磁性存儲(chǔ)單元包括多個(gè) 磁性元件(例如磁性元件102與104)以及至少一個(gè)選擇晶體管106。磁性存 儲(chǔ)單元102與104能夠通過受驅(qū)動(dòng)經(jīng)過該磁性元件102和104的寫電流利用自 旋轉(zhuǎn)移激發(fā)翻轉(zhuǎn)來進(jìn)行編程。此外，各磁性元件102與104具有第一端及第二 端。選擇晶體管106耦合至各磁性元件102與104的第一端。應(yīng)注意，步驟562 的具體細(xì)節(jié)取決于進(jìn)行編程的磁性存儲(chǔ)器110、 140、 170、 200、 240或280。 例如，這些線與在步驟562中被致能或禁能以驅(qū)動(dòng)該寫電流通過所需磁性元件 102與104的晶體管之間的組合取決于進(jìn)行編程的磁性存儲(chǔ)器110、 140、 170、 200、 240或280。
對(duì)于讀取操作，在步驟564中，驅(qū)動(dòng)讀電流通過至少一個(gè)磁性存儲(chǔ)單元100 的磁性元件102與104,并且通過根據(jù)該讀取信號(hào)判定差分信號(hào)或者通過比較 該讀取信號(hào)與參考信號(hào)來讀取數(shù)據(jù)。較佳的，在步驟564中通過獲取存儲(chǔ)器110、 140、 170及280的差分信號(hào)。該差分信號(hào)代表給定單元的磁性元件102與104 的電阻差。步驟564的具體細(xì)節(jié)取決于進(jìn)行讀取的磁性存儲(chǔ)器110、 140、 170 或280。例如，這些線與在步驟564中被致能或禁能以驅(qū)動(dòng)該讀電流通過所需 磁性元件102與104且輸出差分信號(hào)的晶體管之間的組合取決于進(jìn)行讀取的磁 性存儲(chǔ)器110、 140、 170或280。
對(duì)于磁性存儲(chǔ)器220及240，在步驟564中通過比較該讀取信號(hào)與參考信 號(hào)來讀取數(shù)據(jù)。該電壓信號(hào)代表給定單元的磁性元件102與104的電阻差。步 驟564的具體細(xì)節(jié)取決于進(jìn)行讀取的磁性存儲(chǔ)器200及204。例如，這些線與 在步驟564中被致能或禁能以建立通過所需磁性元件102與104的該讀取電壓 且輸出該電壓信號(hào)的晶體管之間的組合取決于進(jìn)行讀取的磁性存儲(chǔ)器200及 240。
由此，可使用方法560對(duì)存儲(chǔ)器110、 140、 170、 200、 240及280進(jìn)行編
程或讀取。該方法使用差分法來讀取一些存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，并且比較該讀取信號(hào) 與其他存儲(chǔ)器的參考信號(hào)作比較。由于磁性元件102與104共用一個(gè)選擇晶體 管，該晶體管特性曲線的波動(dòng)而造成的噪聲得以減小或消除。此外，因該數(shù)據(jù)
線的寄生電容造成的時(shí)間延遲為小于一納秒，以使該存儲(chǔ)器件具有高速讀取特 性的優(yōu)點(diǎn)。
揭露了一種提供及使用磁性存儲(chǔ)器的方法及系統(tǒng)。根據(jù)所示的實(shí)施例來描 述本發(fā)明，并且本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易地認(rèn)識(shí)到這些實(shí)施例可有多種變 化，且這些變化俱在本發(fā)明的精神與范圍之內(nèi)。因此，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員 可在不脫離所附權(quán)利要求書的精神及范圍的情況下作出多種修改。
權(quán)利要求
1、一種磁性存儲(chǔ)器，包括多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元，各所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元包括多個(gè)能夠通過受驅(qū)動(dòng)經(jīng)過所述磁性元件的寫電流利用自旋轉(zhuǎn)移感應(yīng)翻轉(zhuǎn)來進(jìn)行編程的磁性元件，各所述多個(gè)磁性元件具有第一端及第二端，并且至少一個(gè)選擇晶體管耦合至各所述多個(gè)磁性元件的所述第一端；及多根字線，其與所述多個(gè)選擇晶體管耦合且用于選擇地致能所述多個(gè)選擇晶體管中的一部分；及多根位線。
2、 如權(quán)利要求1所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)磁性元件包括第一磁性 元件及第二磁性元件，并且其中所述至少一個(gè)選擇晶體管包括單選擇 晶體管。
3、 如權(quán)利要求2所述磁性存儲(chǔ)器，還包括與所述多根位線耦合的多個(gè)位線選擇晶體管，其用于選擇地致能 所述多根位線中的一部分；及用于各所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元的多根數(shù)據(jù)線，所述多根數(shù)據(jù)線的 第一數(shù)據(jù)線與所述第一磁性元件的第二端耦合，并且所述多根數(shù)據(jù)線 的第二數(shù)據(jù)線與所述第二磁性元件的第二端耦合，所述多個(gè)數(shù)據(jù)線用 于提供所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元的寫入過程中的寫電流以及讀取過程中 的讀出電流。
4、 如權(quán)利要求3所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元被分成包 括第一磁性存儲(chǔ)單元及第二磁性存儲(chǔ)單元的對(duì)，其中所述第一磁性存 儲(chǔ)單元的選擇晶體管與所述第二磁性存儲(chǔ)單元的選擇晶體管共用漏 極。
5、 如權(quán)利要求3所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多根位線包括多根輔助位線，各所述輔助位線與所述多個(gè)磁性元件中的一部分耦合，所述多個(gè)位線 選擇晶體管與所述多根輔助位線相對(duì)應(yīng)。
6、 如權(quán)利要求5所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多根數(shù)據(jù)線包括多根輔助數(shù) 據(jù)線，所述多根輔助數(shù)據(jù)線包括用于所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元中一部分 的所述第一數(shù)據(jù)線及所述第二數(shù)據(jù)線。
7、 如權(quán)利要求3所述磁性存儲(chǔ)器，其中第一數(shù)據(jù)線接地。
8、 如權(quán)利要求7所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多根位線耦合至多個(gè)差分讀 出放大器。
9、 如權(quán)利要求7所述磁性存儲(chǔ)器，其中各所述多根位線耦合至各多個(gè)差 分讀出放大器。
10、 如權(quán)利要求3所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多根位線與至少一個(gè)電流轉(zhuǎn) 換電路耦合。
11、 如權(quán)利要求3所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述第一數(shù)據(jù)線是用于各所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元的獨(dú)立數(shù)據(jù)線，并且其中所述第二數(shù)據(jù)線是用于所述 多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元的一部分的共用數(shù)據(jù)線。
12、 如權(quán)利要求2所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述第一磁性元件包括具有第一 磁化的第一存儲(chǔ)層，并且所述第二磁性元件包括具有第二存儲(chǔ)層的第 二存儲(chǔ)層，所述第一磁化與所述第二磁化基本反平行對(duì)齊。
13、 如權(quán)利要求2所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述第一磁性元件具有第一磁阻， 并且所述第二磁性元件具有第二磁阻，所述第一磁阻及所述第二磁阻 的量值基本相等。
14、 如權(quán)利要求2所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述第一磁性元件具有第一電阻， 并且所述第二磁性元件具有第二電阻，所述第一電阻與所述第二電阻 不同。
15、 如權(quán)利要求1所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)磁性元件的第一磁性元 件基本上是直接放置在所述多個(gè)磁性元件的第二磁性元件的上方。
16、 如權(quán)利要求15所述磁性存儲(chǔ)器，其中各所述第一磁性元件與所述第 二元件包括穿隧磁阻結(jié)。
17、 如權(quán)利要求16所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述穿隧磁阻結(jié)包括被釘扎層、 穿隧勢(shì)壘層及自由層，所述穿隧勢(shì)壘層位于所述被釘扎層與所述自由 層之間。
18、 如權(quán)利要求n所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述被釘扎層為合成被釘扎層， 其包括第一磁性層、第二磁性層及所述第一磁性層與所述第二磁性層 之間的非磁性層。
19、 如權(quán)利要求17所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述第一磁阻存儲(chǔ)元件的被釘 扎層位于所述第一磁阻存儲(chǔ)元件的自由層的上方，并且其中所述第二 磁阻存儲(chǔ)元件的被釘扎層位于所述第二磁阻存儲(chǔ)元件的自由層的下 方。
20、 如權(quán)利要求15所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述第一磁阻存儲(chǔ)元件及所述 第二磁阻存儲(chǔ)元件各自包括獨(dú)立的單元板，并且由絕緣層隔開。
21、 如權(quán)利要求15所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述第一磁阻存儲(chǔ)元件及所述 第二磁阻存儲(chǔ)元件共用一塊單元板。
22、 如權(quán)利要求1所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)磁性元件包括多個(gè)雙穿 隧磁阻結(jié)。
23、 如權(quán)利要求22所述磁性存儲(chǔ)器，其中各所述多個(gè)雙穿隧磁阻結(jié)包括合成被釘扎層，所述合成被釘扎層包括第一磁性層、第二磁性層及所 述第一磁性層與所述第二磁性層之間的非磁性間隔層。
24、 如權(quán)利要求l所述磁性存儲(chǔ)器，其中各所述多個(gè)磁性元件包括第一被 釘扎層、穿隧勢(shì)壘層、自由層、非磁性間隔層及第二被釘扎層，所述 穿隧勢(shì)壘層位于所述自由層與所述第一被釘扎層之間，所述非磁性間 隔層位于所述第二被釘扎層與所述自由層之間。
25、 如權(quán)利要求24所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述第一被釘扎層為合成被釘 扎層，其包括第一磁性層、第二磁性層及所述第一磁性層與所述第二 磁性層之間的非磁性層。
26、 如權(quán)利要求1所述磁性存儲(chǔ)器，其中各所述多個(gè)磁性元件包括多個(gè)穿 隧磁阻結(jié)，各所述多個(gè)穿隧磁阻結(jié)由非磁性層隔開。
27、 如權(quán)利要求1所述磁性存儲(chǔ)器，其中各所述多個(gè)磁性元件包括至少一 個(gè)穿隧磁阻結(jié)及至少一個(gè)自旋閥，各所述至少一個(gè)穿隧磁阻結(jié)及所述 至少 一 個(gè)自旋閥由非磁性間隔層隔開。
28、 如權(quán)利要求1所述磁性存儲(chǔ)器，其中各所述多個(gè)磁性元件包括自由層， 所述自由層包括Co、 Fe及Ni中的至少一種。
29、 如權(quán)利要求28所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述自由層包括至少一非晶形 成組分。
30、 如權(quán)利要求29所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述至少一非晶形成組分的濃 度不大于30原子百分比。
31、 如權(quán)利要求29所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述非晶形成組分包括硼。
32、 如權(quán)利要求29所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述自由層的飽和磁化為400 至1500 emu/cm3。
33、 如權(quán)利要求28所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述自由層為包括鐵磁材料或 亞鐵磁材料的單層。
34、 如權(quán)利要求33所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述鐵磁材料包括下列材料中 的至少一種Co、含5 40原子百分比Fe的CoFe、含5 40原子百分 比Fe及5 30原子百分比B的CoFeB、含5 40原子百分比Fe及5 30 原子百分比Ta的CoFeTa、含約20原子百分比Fe的NiFe、含5 40原子 百分比Pt的CoPt、含5 40原子百分比Pd的CoPd、含5 40原子百分 比Pt的FePt、 Co2MnAl、 Co2MnSi或者Co2CrAl、 Co2CrSi、 Co2FeAl 及Co2FeSi中
35、 如權(quán)利要求33所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述亞鐵磁材料包括含15 30 原子百分比Gd的CoGd以及含10 40原子百分比Gd的FeGd中的至少一種。
36、 如權(quán)利要求28所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述自由層為包括多個(gè)層的多層。
37、 如權(quán)利要求36所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)層包括多個(gè)鐵磁層。
38、 如權(quán)利要求37所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)鐵磁層包括下列材料 中的至少一種Co、含5 40原子百分比Fe的CoFe、含5 40原子百 分比Fe及5 30原子百分比B的CoFeB、含5 40原子百分比Fe及5 30原子百分比Ta的CoFeTa、含約20原子百分比Fe的NiFe、含5 40 原子百分比Pt的CoPt、含5 40原子百分比Pd的CoPd、含5 40原子 百分比Pt的FePt、 Co2MnAl、 Co2MnSi或者Co2CrAl、 Co2CrSi、 Co2FeAl 及Co2FeSi中。
39、 如權(quán)利要求37所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)層包括至少一非磁性 層，所述非磁性層將所述多個(gè)鐵磁層的一部分隔開。
40、 如權(quán)利要求39所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述鐵磁材料包括下列材料中 的至少一種Co、含5 40原子百分比Fe的CoFe、含5 40原子百分 比Fe及5 30原子百分比B的CoFeB、含5 40原子百分比Fe及5 30 原子百分比Ta的CoFeTa、含約20原子百分比Fe的NiFe、含5 40原子 百分比Pt的CoPt、含5 40原子百分比Pd的CoPd、含5 40原子百分 比Pt的FePt、 Co2MnAl、 Co2MnSi或者Co2CrAl、 Co2CrSi、 Co2FeAl 及Co2FeSi。
41、 如權(quán)利要求39所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述非磁性層包括Ru、 Rh、 Re、 Cr及Cu中的至少一種。
42、 如權(quán)利要求28所述磁性存儲(chǔ)器，其中給所述多個(gè)磁性元件包括被釘 扎層，所述被釘扎層包括Co、 Fi及Ni中的至少一種。
43、 如權(quán)利要求42所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述被釘扎層為包括鐵磁材料 或亞鐵磁材料的單層。
44、 如權(quán)利要求43所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述鐵磁材料包括下列材料中 的至少一種co、含5 40原子百分比Fe的CoFe、含5 40原子百分 比Fe及5 30原子百分比B的CoFeB、含5 40原子百分比Fe及5 30 原子百分比Ta的CoFeTa、含約20原子百分比Fe的NiFe、含5 40原 子百分比Pt的CoPt、含5 40原子百分比Pd的CoPd、含5 40原子百 分比Pt的FePt、 Co2MnAl、 Co2MnSi或者Co2CrAl、 Co2CrSi、 Co2FeAl 及Co2FeSi。
45、 如權(quán)利要求43所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述亞鐵磁材料包括含15 30 原子百分比Gd的CoGd以及含10 40原子百分比Gd的FeGd中的至少
46、 如權(quán)利要求42所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述被釘扎層為包括多個(gè)層的多層。
47、 如權(quán)利要求46所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)層包括多個(gè)鐵磁層。
48、 如權(quán)利要求47所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)鐵磁層包括下列材料 中的至少一種Co、含5 40原子百分比Fe的CoFe、含5 40原子百 分比Fe及5 30原子百分比B的CoFeB、含5 40原子百分比Fe及5 30原子百分比Ta的CoFeTa、含約20原子百分比Fe的NiFe、含5 40 原子百分比Pt的CoPt、含5 40原子百分比Pd的CoPd、含5 40原子 百分比Pt的FePt、 Co2MnAl、 Co2MnSi或者Co2CrAl、 Co2CrSi、 Co2FeAl 及Co2FeSi。
49、 如權(quán)利要求47所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)層包括至少一非磁性 層，所述非磁性層將所述多個(gè)鐵磁層的一部分隔開。
50、 如權(quán)利要求49所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述鐵磁材料包括下列材料中 的至少一種co、含5 40原子百分比Fe的CoFe、含5 40原子百分 比Fe及5 30原子百分比B的CoFeB、含5 40原子百分比Fe及5 30 原子百分比Ta的CoFeTa、含約20原子百分比Fe的NiFe、含5 40原子 百分比Pt的CoPt、含5 40原子百分比Pd的CoPd、含5 40原子百分 比Pt的FePt、 Co2MnAl、 Co2MnSi或者Co2CrAl、 Co2CrSi、 Co2FeAl 及Co2FeSi。
51、 如權(quán)利要求49所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述非磁性層包括Ru、 Re及 Cu中的至少一種。
52、 如權(quán)利要求42所述磁性存儲(chǔ)器，其中各所述多個(gè)磁性元件包括至少 一穿隧勢(shì)壘層。
53、 如權(quán)利要求52所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述至少一個(gè)穿隧勢(shì)壘層包括 含40 70原子百分比O的A10、含30 60原子百分比O的MgO、含40 70原子百分比O及含2 30原子百分比N的AION、含30 60原子百 分比N的A1N、 AlZrO、 AlHfO、 AlTiO及AlTaO中的至少一種。
54、 如權(quán)利要求52所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述至少一個(gè)穿隧勢(shì)壘層包括 多個(gè)層。
55、 如權(quán)利要求52所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述至少一個(gè)穿隧勢(shì)壘層的厚 度為至少5埃且不超過40埃。
56、 如權(quán)利要求52所述磁性存儲(chǔ)器，其中所述至少一個(gè)穿隧勢(shì)壘層的電 阻一面積乘積為10 100D卞m2。
57、 如權(quán)利要求42所述磁性存儲(chǔ)器，其中各所述多個(gè)磁性元件包括至少一 非磁性問隔層。
58、 如權(quán)利要求57所述磁性存儲(chǔ)器，其中各所述至少一非磁性間隔層包 括Cu、 Ag、 Pt、 Al、 Ru、 Re、 Rh、 Ta及Ti中的至少一種。
59、 如權(quán)利要求57所述磁性存儲(chǔ)器，其中各所述至少一非磁性間隔層包 括至少一納米氧化層。
60、 一種設(shè)置磁性存儲(chǔ)器的方法，包括設(shè)置多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元，各所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元包括多個(gè)能夠 通過受驅(qū)動(dòng)經(jīng)過所述磁性元件的寫電流利用自旋轉(zhuǎn)移感應(yīng)翻轉(zhuǎn)來進(jìn)行 編程的磁性元件，各所述多個(gè)磁性元件具有第一端及第二端，并且至少一個(gè)選擇晶體管耦合至各所述多個(gè)磁性元件的所述第一端；及設(shè)置多根字線，所述字線與所述多個(gè)選擇晶體管耦合且選擇地致能所述多個(gè)選擇晶體管中的一部分； 設(shè)置多根位線。
61、 如權(quán)利要求60所述的方法，其中設(shè)置多個(gè)磁性元件包括設(shè)置第一磁性元件及第二磁性元件，并且其中所述至少一個(gè)選擇 晶體管包括單選擇晶體管。
62、 如權(quán)利要求61所述的方法，還包括設(shè)置與所述多根位線耦合的多個(gè)位線選擇晶體管，其用于選擇地 致能所述多根位線中的一部分；及設(shè)置用于各所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元的多根數(shù)據(jù)線，所述多根數(shù)據(jù) 線的第一數(shù)據(jù)線與所述第--磁性元件的第二端耦合，并且所述多根數(shù) 據(jù)線的第二數(shù)據(jù)線與所述第二磁性元件的第二端耦合，所述多個(gè)數(shù)據(jù) 線用于提供所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元的寫入過程中的寫電流以及讀取過 程中的讀出電流。
63、 如權(quán)利要求62所述的方法，其中設(shè)置所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元包括將所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元分成包括第一磁性存儲(chǔ)單元及第二磁 性存儲(chǔ)單元的對(duì)，其中所述第一磁性存儲(chǔ)單元的選擇晶體管與所述第 二磁性存儲(chǔ)單元的選擇晶體管共用漏極。
64、 如權(quán)利要求62所述的方法，其中設(shè)置所述多根位線包括設(shè)置多根輔助位線，各所述輔助位線與所述多個(gè)磁性元件中的--部分耦合，所述多個(gè)位線選擇晶體管與所述多根輔助位線相對(duì)應(yīng)。
65、 如權(quán)利要求62所述的方法，其中設(shè)置所述多根數(shù)據(jù)線還包括設(shè)置多根輔助數(shù)據(jù)線，所述多根輔助數(shù)據(jù)線包括用于所述多個(gè)磁 性存儲(chǔ)單元中一部分的所述第一數(shù)據(jù)線及所述第二數(shù)據(jù)線
66、 如權(quán)利要求2所述的方法，其中設(shè)置所述多根數(shù)據(jù)線包括將所述第一數(shù)據(jù)線接地。
67、 如權(quán)利要求66所述的方法，其中設(shè)置所述多根位線還包括將所述多根位線耦合至各多個(gè)差分讀出放大器。
68、 如權(quán)利要求66所述的方法，其中各所述多根位線耦合至多個(gè)差分讀 出放大器中的每一個(gè)。
69、 如權(quán)利要求62所述的方法，還包括將所述多根位線與至少一個(gè)電流轉(zhuǎn)換電路耦合。
70、 如權(quán)利要求62所述的方法，其中所述第一數(shù)據(jù)線為用于各所述多個(gè) 磁性存儲(chǔ)單元的獨(dú)立數(shù)據(jù)線，并且其中所述第二數(shù)據(jù)線為用于所述多 個(gè)磁性存儲(chǔ)單元的一部分的共用數(shù)據(jù)線。
71、 如權(quán)利要求61所述的方法，其中設(shè)置所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元還包括設(shè)置所述第一磁性元件，其包括具有第一磁化的第一存儲(chǔ)層；及設(shè)置所述第二磁性元件，其包括具有第二磁化的第二存儲(chǔ)層，所 述第一磁化與所述第二磁化基本反平行對(duì)齊。
72、 如權(quán)利要求61所述的方法，其中所述第一磁性元件具有第一磁阻， 并且所述第二磁性元件具有第二磁阻，所述第一磁阻及所述第二磁阻 的量值基本相等。
73、 如權(quán)利要求61所述的方法，其中所述第一磁性元件具有第一電阻， 并且所述第二磁性元件具有第二電阻，所述第一電阻與所述第二電阻 不同。
74、 如權(quán)利要求60所述的方法，其中設(shè)置所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元包括將所述多個(gè)磁性元件的第一磁性元件基本上直接放置在所述多 個(gè)磁性元件的第二磁性元件的上方。
75、 如權(quán)利要求74所述的方法，其中各所述第一磁性元件及所述第二元 件包括穿隧磁阻結(jié)。
76、 如權(quán)利要求75所述的方法，其中所述穿隧磁阻結(jié)包括被釘扎層、穿 隧勢(shì)壘層及自由層，所述穿隧勢(shì)壘層位于所述被釘扎層與所述自由層 之間。
77、 如權(quán)利要求76所述的方法，其中所述被釘扎層為包括合成被釘扎層， 其包括第一磁性層、第二磁性層及所述第一磁性層與所述第二磁性層 之間的非磁性層。
78、 如權(quán)利要求77所述的方法，其中所述第一磁阻存儲(chǔ)元件的被釘扎層 位于所述第一磁阻存儲(chǔ)元件的自由層的上方，并且其中所述第二磁阻 存儲(chǔ)元件的被釘扎層位于所述第二磁阻存儲(chǔ)元件的自由層的下方。
79、 如權(quán)利要求74所述的方法，其中所述第一磁阻存儲(chǔ)元件及所述第二 磁阻存儲(chǔ)元件各自包括獨(dú)立的單元板，并且由絕緣層隔開。
80、 如權(quán)利要求74所述的方法，其中所述第一磁阻存儲(chǔ)元件及所述第二 磁阻存儲(chǔ)元件共用一塊單元板。
81、 如權(quán)利要求60所述的方法，其中設(shè)置所述多個(gè)磁性元件包括設(shè)置多個(gè)雙穿隧磁阻結(jié)。
82、 如權(quán)利要求60所述的方法，其中設(shè)置所述多個(gè)磁性元件包括設(shè)置用于各所述多個(gè)磁性元件的第一被釘扎層、穿隧勢(shì)壘層、自 由層、非磁性間隔層及第二被釘扎層，所述穿隧勢(shì)壘層位于所述自由 層與所述第一被釘扎層之間，所述非磁性間隔層位于所述第二被釘扎 層與所述自由層之間。
83、 如權(quán)利要求60所述的方法，其中設(shè)置所述多個(gè)磁性元件包括設(shè)置用于各所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元的多個(gè)穿隧磁阻結(jié)，各所述多 個(gè)穿隧磁阻結(jié)由非磁性層隔開。
84、 如權(quán)利要求60所述的方法，其中各所述多個(gè)磁性元件包括至少一個(gè) 穿隧磁阻結(jié)及至少一個(gè)自旋閥，各所述至少一個(gè)穿隧磁阻結(jié)及所述至 少 一 個(gè)自旋閥由非磁性間隔層隔開。
85、 一種使用磁性存儲(chǔ)器的方法，所述磁性存儲(chǔ)器包括多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元， 所述方法包括驅(qū)動(dòng)寫電流經(jīng)過所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元中的一部分，各所述多個(gè) 磁性存儲(chǔ)單元包括多個(gè)能夠通過受驅(qū)動(dòng)經(jīng)過所述磁性元件的寫電流利 用自旋轉(zhuǎn)移感應(yīng)翻轉(zhuǎn)來進(jìn)行編程的磁性元件，各所述多個(gè)磁性元件具 有第一端及第二端，并且至少一個(gè)選擇晶體管耦合至各所述多個(gè)磁性 元件的所述第一端；及通過驅(qū)動(dòng)讀電流經(jīng)過所述多個(gè)磁性元件、并根據(jù)該讀取信號(hào)判定 差分信號(hào)或者比較該讀取信號(hào)與參考信號(hào)來讀取至少一個(gè)所述磁性存 儲(chǔ)單元。
全文摘要
揭露了一種磁性存儲(chǔ)器的設(shè)置方法及系統(tǒng)。該方法及系統(tǒng)包括設(shè)置多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元、多根字線、多根位線。各所述多個(gè)磁性存儲(chǔ)單元包括多個(gè)磁性元件及至少一個(gè)選擇晶體管。各所述多個(gè)磁性元件能夠通過受驅(qū)動(dòng)經(jīng)過所述磁性元件的寫電流利用自旋轉(zhuǎn)移感應(yīng)翻轉(zhuǎn)來進(jìn)行編程。各所述多個(gè)磁性元件具有第一端及第二端。所述至少一個(gè)選擇晶體管耦合至各所述多個(gè)磁性元件的所述第一端。所述多根字線與所述多個(gè)選擇晶體管耦合且選擇地致能所述多個(gè)選擇晶體管中的一部分。
文檔編號(hào)G11C11/00GK101194320SQ200680020208
公開日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2006年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月8日
發(fā)明者刁治濤, 懷一鳴, 錢正宏, 麥亨德拉·帕卡拉 申請(qǐng)人:弘世科技公司