專利名稱：向多態(tài)磁隨機(jī)訪問存儲器單元進(jìn)行寫入的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及磁隨機(jī)訪問存儲器(MRAM)存儲器。尤其是，本發(fā)明涉及向多態(tài)MRAM單元進(jìn)行寫入的方法。
背景技術(shù)：
非易失性存儲器器件是電子系統(tǒng)中一種非常重要的組件。FLASH是目前使用的一種重要的非易失性存儲器器件。典型的非易失性存儲器器件使用在懸浮氧化層中捕捉到的電荷來存儲信息。FLASH的缺點(diǎn)包括高電壓需求以及慢速的編程和擦除時間。而且，F(xiàn)LASH存儲器在失效之前只能耐受寫104-106次。此外，為了保持合理地保存數(shù)據(jù)，柵氧化的尺寸受到電子碰到的隧道勢壘的限制。因此，F(xiàn)LASH存儲器受到可以被縮放的尺度的限制。
為了克服這些缺點(diǎn)，下面評價一下磁性存儲器器件。一個這樣的器件是MRAM單元。但是，為了商業(yè)實(shí)踐，MRAM相對當(dāng)前的存儲器技術(shù)必須具有可比較的存儲器密度，將來可構(gòu)造，在低電壓下操作，具有低功能耗，具有可競爭的讀/寫速度。
對于MRAM器件，非易失性存儲器狀態(tài)的穩(wěn)定性，讀/寫循環(huán)的可重復(fù)性，以及存儲器元件至元件切換場的一致性，是其設(shè)計性能的三個最重要的方面。MRAM中的存儲器狀態(tài)不是由電源保持，而是由磁瞬間向量的方向保持。通過施加磁場，以及使MRAM器件中的磁性材料被磁化為兩種可能的狀態(tài)中的任何一種，來實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)。通過檢測在MRAM器件中的兩種狀態(tài)之間的電阻差來實(shí)現(xiàn)恢復(fù)數(shù)據(jù)。利用傳導(dǎo)電流通過磁結(jié)構(gòu)外部的條狀線外部或通過磁結(jié)構(gòu)本身創(chuàng)建寫磁場。
隨著預(yù)先知道的MRAM器件的側(cè)面的尺寸的下降，可出現(xiàn)三個問題。第一，對于給定的形狀和薄膜厚度，需要更大的磁場來切換，則切換場增加。第二，全部切換數(shù)量減少，從而反向能量勢壘降低。能量勢壘是指將磁瞬間向量從一個狀態(tài)切換為另一個狀態(tài)所需要的能量。能量勢壘決定了數(shù)據(jù)的保持能力和MRAM器件的錯誤率，并且如果勢壘太小，則可能由于熱波動(超順磁性)而發(fā)生未作打算的反向。由于具有小能量勢壘的主要問題是，在一個陣列中選擇性地切換一個MRAM器件變得非常困難。選擇性允許不疏忽地切換為其它MRAM器件的切換。最后，因?yàn)榍袚Q場是由形狀產(chǎn)生的，則隨著MRAM器件在尺寸上減小，切換場變得對形狀變化敏感。隨著光刻蝕法構(gòu)成在更小尺寸上變得更加困難，MRAM器件將在獲得穩(wěn)定切換分配方面發(fā)生困難。
美國專利No.6,545,906中公開了一種新的MRAM單元寫方法，包括切換一個可調(diào)節(jié)的磁致電阻存儲器單元的方法，包括這樣的步驟提供夾在字線和位線之間的一個磁致電阻存儲器器件，從而電流波能夠以不同次數(shù)用于字線和位線，以產(chǎn)生磁場通量，以將器件的有效磁瞬間向量旋轉(zhuǎn)幾乎180°。該方法提供兩種不同的狀態(tài)切換模式觸發(fā)寫模式，其中每一次施加相同極性的兩個場脈沖，位的狀態(tài)被充電，或者被觸發(fā)，以及直接寫模式，其中位的狀態(tài)被直接切換為取決于施加的場脈沖極性的狀態(tài)。
為了在較大的位數(shù)量中改善存儲器密度，已經(jīng)開發(fā)了多態(tài)，具有磁耦合的磁性層的多層磁性存儲器單元。例如，參見美國專利No.5,953,248和5,930,164，其公開了反鐵磁體耦合的多層結(jié)構(gòu)，包括具有非磁性導(dǎo)體層的第一和第二磁致電阻層，非磁性導(dǎo)體層位于一對磁致電阻層之間的平行位置。在反鐵磁體中耦合的多層結(jié)構(gòu)，通過具有不同厚度或不同的磁性材料構(gòu)成這一對磁致電阻層，以在不同磁場中切換。而且，在反鐵磁體中耦合的多層結(jié)構(gòu)，這一對磁致電阻層的每一層具有磁向量，與沒有施加的磁場反向平行，由于反鐵磁體耦合一對層和方向比率。該單元進(jìn)一步包括磁致電阻結(jié)構(gòu)，具有與第二磁致電阻層的向量有固定關(guān)系的磁向量。電絕緣材料位于反鐵磁體耦合的多層結(jié)構(gòu)和磁致電阻結(jié)構(gòu)之間的平行位置，以形成磁隧道結(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
在各種的示例和代表的方面，本發(fā)明的一個實(shí)施例提供了一種對存儲器單元的編程方法，該存儲器單元具有位于兩個電流導(dǎo)體之間的兩個位，包括分別觸發(fā)每一位的邏輯狀態(tài)。另一個實(shí)施例包括觸發(fā)第一和第二位，從而第一位在期望的狀態(tài)，然后將第二位觸發(fā)至期望的狀態(tài)。


圖1是根據(jù)第一實(shí)施例的磁致電阻隨機(jī)訪問存儲器器件的簡化剖面圖；圖2是根據(jù)第一實(shí)施例說明第一位的磁向量的磁致電阻隨機(jī)訪問存儲器器件的簡化平面圖；圖3是根據(jù)第一實(shí)施例說明第二位的磁向量的磁致電阻隨機(jī)訪問存儲器器件的簡化平面圖；圖4是根據(jù)第一實(shí)施例的磁場幅度組合的示意圖，在磁致電阻隨機(jī)訪問存儲器器件中產(chǎn)生直接和觸發(fā)寫模式；圖5圖示了字電流和位電流都被切換為導(dǎo)通時的時序圖；圖6是根據(jù)第二實(shí)施例的磁致電阻隨機(jī)訪問存儲器器件的簡化剖面圖；圖7是根據(jù)第二實(shí)施例的磁場幅度組合的仿真的圖示，在磁致電阻隨機(jī)訪問存儲器器件中產(chǎn)生直接和觸發(fā)寫模式；圖8是根據(jù)第三實(shí)施例的磁向量的磁致電阻隨機(jī)訪問存儲器器件的簡化平面圖；圖9是根據(jù)第三實(shí)施例的磁場幅度組合的仿真的圖示，在磁致電阻隨機(jī)訪問存儲器器件中產(chǎn)生直接和觸發(fā)寫模式。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，一個兩位MRAM器件10的簡化剖面圖，表示單個磁滯電阻兩位存儲器器件12，但是應(yīng)當(dāng)理解，MRAM陣列10包括一定數(shù)量的多位MRAM器件12，并且為了簡單描述該寫方法，僅示出了一個兩位設(shè)備。
兩位的MRAM器件12夾在字線14和位線16之間。字線14和位線16包括導(dǎo)電材料，從而電流可以從中通過。在本例中，字線14位于MRAM器件12的頂端，位線16位于MRAM器件的底端，并且與字線14在方向上成90°角(見圖2)。
MRAM器件12包括第一和第二位18和20，由具有一定厚度21的導(dǎo)電隔離19分隔。位18包括第一磁性區(qū)域22，隧道勢壘24，以及第二磁性區(qū)域26，其中隧道勢壘24夾在第一磁性區(qū)域22和第二磁性區(qū)域26之間。在最佳實(shí)施例中，磁性區(qū)域22包括三層結(jié)構(gòu)，其具有一個夾在兩個鐵磁體層30和32之間的反鐵磁體耦合隔離層次8。反鐵磁體耦合隔離層28具有厚度34，而鐵磁體層30和32分別具有厚度36和38。而且，磁性區(qū)域26包括多層結(jié)構(gòu)，其具有一夾在兩個鐵磁體層42和44之間的反鐵磁體耦合隔離層40。一具有厚度49的連接層43，位于鐵磁體層44和位線16之間。反鐵磁體耦合隔離層40具有厚度56，而鐵磁體層42和44分別具有厚度48和58。
位20包括第三磁性區(qū)域52，隧道勢壘54，以及第四磁性區(qū)域56，其中隧道勢壘54夾在第三磁性區(qū)域52和第四磁性區(qū)域56之間。在最佳實(shí)施例中，磁性區(qū)域52包括三層結(jié)構(gòu)，其具有夾在兩個鐵磁體層60和62之間的反鐵磁體耦合隔離層58。反鐵磁體耦合隔離層58具有厚度64，而鐵磁體層60和62分別具有厚度66和68。而且，磁性區(qū)域56包括多層結(jié)構(gòu)，其具有夾在兩個鐵磁體層72和74之間的反鐵磁體耦合隔離層70。反鐵磁體耦合隔離層70具有厚度76，而鐵磁體層72和74分別具有厚度78和80。一具有厚度79的連接層73位于鐵磁體層74和字線14之間。
典型地，反鐵磁體耦合隔離層28，40，58和70包括Ru，Os，Re，Cr，Rh，Cu中的至少一種元素或其組合物。而且，鐵磁體層30，32，42，44，60，62，72和74典型地包括Ni，F(xiàn)e，Co中的至少一種元素或其組合物。而且，應(yīng)當(dāng)理解，磁性區(qū)域22，26，52和56能夠包括合成的反鐵磁體層材料結(jié)構(gòu)，其具有比所示更多的層，并且在該實(shí)施例中所示的層的數(shù)量的使用僅用于說明的目的。
鐵磁體層30和32每一層分別具有磁瞬間向量82和84，通過反鐵磁體耦合隔離層28的耦合，通常保持反向平行。而且，磁性區(qū)域22具有合成磁瞬間向量86，而磁性區(qū)域26具有合成磁瞬間向量88。合成磁瞬間向量86和88沿著各向異性易軸，最好是在從字線14和位線(digit line)16(見圖2)45°角方向上。而且，磁性區(qū)域22是自由磁性區(qū)域，也就是說合成磁瞬間向量86對于存在施加磁場時是自由旋轉(zhuǎn)的。磁性區(qū)域26是連接鐵磁體區(qū)域，也就是說合成磁瞬間向量88對于存在適中施加的磁場時不是自由旋轉(zhuǎn)的，并用作參考層。
應(yīng)當(dāng)理解位20以類似于位18的形式操作。對于位20，鐵磁體層60和62每一層分別具有磁瞬間向量90和92，通過反鐵磁體耦合隔離層58耦合，通常保持反向平行。而且，磁性區(qū)域52具有合成磁瞬間向量94，而磁性區(qū)域56具有合成磁瞬間向量96。合成磁瞬間向量94和96沿著各向異性易軸，最好是在從字線14和位線16(見圖2)45°角方向上。而且，磁性區(qū)域52是自由磁性區(qū)域，也就是說合成磁瞬間向量94對于存在施加的磁場時是自由旋轉(zhuǎn)的。磁性區(qū)域56是連接鐵磁體區(qū)域，也就是說合成磁瞬間向量96對于存在適中施加的磁場時不是自由旋轉(zhuǎn)的，并用作參考層。
雖然分別說明了在兩個鐵磁體層30，32之間和42，44之間的反鐵磁體耦合隔離層28和40，在每一個三層結(jié)構(gòu)22和52中，以及每一個多層結(jié)構(gòu)26和56中，應(yīng)當(dāng)理解，鐵磁體層30，32和42，44可以是通過其它裝置例如磁場或其它方式耦合的反鐵磁體。例如，當(dāng)單元的方向比率減小為5個或更少，根據(jù)靜磁通量閉合，該磁性層為反平行。
由于反鐵磁體耦合也由MRAM結(jié)構(gòu)中多層的靜磁場產(chǎn)生，在消除了兩個磁性層之間耦合的反鐵磁體之后，隔離層不必需要提供任何附加反鐵磁體耦合。
在MRAM器件12的位18和20每一個中，在兩個鐵磁體層30，32和60，62中的磁瞬間向量可以具有不同的厚度或者材料，以提供合成磁瞬間向量，由ΔM86＝(M84-M82)給出，子層瞬間因素平衡比率Mbr=(M84-M82)(M84+M82)=ΔM86Mtotal.]]>在這些等式中的向量僅簡單標(biāo)記為對于位18。這些等式能夠用在位20上。多層結(jié)構(gòu)22和多層結(jié)構(gòu)52的合成磁瞬間向量在所使用的磁場中自由旋轉(zhuǎn)。在零場中，合成磁瞬間向量86和94在一個方向上穩(wěn)定，這由磁各向異性決定，就是說平行或反向平行，分別對于連接參考層42或72合成磁瞬間向量。應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語“合成磁瞬間向量”僅用于本說明書中，以及用于整個平衡的向量的情況，該合成磁瞬間向量在沒有磁場的情況下可以是零。如下面所描述，僅僅是子層磁瞬間向量84和92結(jié)合隧道勢壘，分別決定位18和20的狀態(tài)。
通過MRAM器件12的位18和20的每一位的電流取決于隧道磁致電阻，磁致電阻通過自由磁瞬間向量84，88和92，96的相對方向和連接層32，42和62，72分別直接結(jié)合隧道勢壘24和54獲得。如果磁瞬間向量為平行的，則位電阻為低，而電壓偏壓將引起較大的電流通過器件12。該狀態(tài)被定義為“1”。如果磁瞬間向量為反平行的，則位電阻為高，并且所施加的電壓偏壓將引起較小的電流通過該器件。該狀態(tài)被定義為“0”。應(yīng)當(dāng)理解這些定義是任意的，并且可以是相反的，但是在本例中是用于說明的目的。因此，在磁致電阻存儲器中，通過使用磁場實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，該磁場在平行或反平行方向之一的位上產(chǎn)生磁瞬間向量，在連接層相對于磁瞬間向量。
在最佳實(shí)施例中，對于圖2所示的非圓形平面，MRAM器件12中，具有三層結(jié)構(gòu)22和52，以及多層結(jié)構(gòu)26和56，它們具有長/寬比率在1到5的范圍內(nèi)。MRAM器件12在最佳實(shí)施例中為橢圓形，因?yàn)槠淙菀资褂霉饪涛g工藝使器件側(cè)向縮放到較小尺度。但是，應(yīng)當(dāng)理解MRAM器件12可以具有其它形狀，例如，正方形，圓形，矩形或菱形，但是為了簡單和改善性能，表示為橢圓形。
而且，在MARM陣列10的生產(chǎn)期間，每一個后續(xù)的層被淀積，或者按順序形成，并且每一個MRAM器件12可以通過選擇的由淀積，光刻蝕處理，刻蝕等，以任何半導(dǎo)體工業(yè)中已知的技術(shù)來確定。在鐵磁體層30，32，60和62中的至少一層淀積期間，提供磁場以設(shè)置最容易磁化的軸(產(chǎn)生各向異性)。對于磁瞬間向量82，84，90和92，所提供的磁場創(chuàng)建最佳各向異性軸。最佳的軸被選擇在字線14和位線16之間的45°角上，如下面將討論的。
圖2和3示出了根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例的MRAM陣列10的簡化平面圖。為了簡化描述MRAM器件12，所有的方向?qū)⒄账镜膞和y軸體系98，以及順時針方向旋轉(zhuǎn)方向100，以及逆時針方向旋轉(zhuǎn)方向102。下面將描述位18的操作，在具有磁瞬間向量82和84以及如圖2所示的合成磁瞬間向量86的區(qū)域22。位20的向量90，92，以及94在圖3中示出，它們具有更大的幅度，因此圖3比圖2的向量82，84，以及86更長。更大的幅度由在相對于層30和32的更厚的層60和62產(chǎn)生。更大的幅度也可以通過利用不同的材料獲得。
下面將針對位18描述向量82，84和86，但是應(yīng)當(dāng)理解位20在功能上是相似的。為了說明寫方法如何工作，假設(shè)對于磁瞬間向量82和84所選的各向異性軸在相對于負(fù)x和負(fù)y方向的45°角上，并在相對于正x和正y方向的45°角上。作為一個例子，圖2表示了磁瞬間向量84在相對于負(fù)x和負(fù)y方向的45°角上。由于磁瞬間向量82通常沿著相對于磁瞬間向量84反平行，其在相對于正x和正y方向的45°角的方向上。初始朝向?qū)⒂糜诒硎緦懛椒ǖ膶?shí)例，將在下面討論。
在最佳實(shí)施例中，字電流104被定義為如果以正x方向流動，則為正向，而位電流106被定義為如果以正y方向流動，則為正向。字線14和位線16的目的是在MRAM器件12中產(chǎn)生磁場。一條正向字電流104將產(chǎn)生圓形字磁場，HW108，正向位電流106將產(chǎn)生圓形位磁場，HD110。由于字線14在元件平面上在MRAM器件12之上，對于正向字電流104，HW108將在正y方向施加于MRAM器件12上。類似地，由于位線16在元件平面上在MRAM器件12之下，對于正向位電流106，HD110將在正x方向施加于MRAM器件12上。應(yīng)當(dāng)理解，對于正向和負(fù)向電流流動的定義是任意的，并且這里的定義僅是為了說明的目的。反向電流的效果將改變在MRAM器件12上產(chǎn)生的磁場的方向。這種電流產(chǎn)生磁場的動作對于本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來說是已知的。
如前面所述，位20在功能上類似于位18；但是在所述的第一個實(shí)施例中，隧道勢壘24和54被淀積成不同厚度，對于每一位18和20給出不同的電阻范圍，例如2K和4K歐姆，具有50％的MR。例如，MR＝ΔR/Rlow＝(Rhigh-Rlow)/Rlow。對于這2位，可以確定4個獨(dú)立的電阻狀態(tài)，如下面的列表。

因此，設(shè)計磁區(qū)域22和52，以通過磁性層厚度，材料各向異性，或反鐵磁性交換強(qiáng)度來提供較高的切換場。位18具有較低的觸發(fā)場，以及當(dāng)施加的場在其閾值之上時能被切換。位20具有較高的切換閾值。在大于位18的閾值以及小于位20的閾值的場范圍內(nèi)，位18能夠被觸發(fā)，而不干擾位20。對于大于位20的閾值的場，位18和位20都將被觸發(fā)。因此，在對位20編程之后，需要將位18設(shè)置為其具有較低場的期望數(shù)值。
圖4示出根據(jù)第一實(shí)施例的三層結(jié)構(gòu)22和52的切換動作的示意圖。x軸是字線磁場，幅度為HW奧斯特，而y軸是位線磁場，幅度為HD奧斯特。如圖5所示的在脈沖序列112中使用的磁場，其中脈沖序列112包括字電流104和位電流106，作為時間的函數(shù)。
對每一個可調(diào)節(jié)的位18和20的寫方法依賴于接近平衡的SAF三層結(jié)構(gòu)的“自旋觸發(fā)”現(xiàn)象。在此，定義了術(shù)語“接近平衡”，從而子層的瞬間片段平衡比率的數(shù)量在0≤|Mbr|≤0.1的范圍內(nèi)。自旋觸發(fā)現(xiàn)象，通過將鐵磁體層的磁瞬間向量旋轉(zhuǎn)，從而它們旋轉(zhuǎn)正交于施加的場方向，但是仍然是預(yù)先控制的彼此反向平行，以降低所施加的場中的總磁場能量。旋轉(zhuǎn)或者翻轉(zhuǎn)，與每一個鐵磁體磁瞬間向量對于所施加的場的方向的微小偏轉(zhuǎn)結(jié)合，說明了總磁場能量的降低。
通常，使用翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象以及時間脈沖序列，能夠以兩種不同的模式寫入位18和20直接寫模式或觸發(fā)寫模式。這些模式使用相同的時間脈沖序列獲得(下面將有描述)，但是在磁性子層瞬間和極性以及所使用的磁場數(shù)量的選擇上不同。
每一種寫方法具有其優(yōu)點(diǎn)。例如，當(dāng)使用直接寫模式時，不需要確定位的初始狀態(tài)，因?yàn)閮H當(dāng)如果該被寫入狀態(tài)與存儲的狀態(tài)不同時切換該狀態(tài)。盡管直接寫方法在寫序列被初始化之前，不需要位的狀態(tài)的信息，其需要根據(jù)預(yù)期的狀態(tài)改變字線和位線的極性。
當(dāng)使用觸發(fā)寫方法時，需要在寫之前確定位的初始狀態(tài)，因?yàn)槊看胃鶕?jù)字線和位線產(chǎn)生相同的極性脈沖序列時，該狀態(tài)被切換。因此，觸發(fā)寫模式通過讀出存儲的存儲器狀態(tài)以及將該狀態(tài)與將被寫入的新狀態(tài)比較而工作。在比較之后，僅當(dāng)如果存儲的狀態(tài)和新狀態(tài)不同，則該位被寫入。
位18和20被構(gòu)造，從而磁性各向異性軸理想上為相對于字線和位線14和16成45°角。因此，磁瞬間向量M82，90和M84，92在時間t0處沿著相對于字線和位線方向最佳45°角的方向上。作為寫方法的一個例子，為了使用直接或觸發(fā)寫切換位18和20的狀態(tài)，使用下面的電流脈沖序列。在時間t1處，字電流104增加，并且根據(jù)字電流104的方向，由于自旋觸發(fā)效應(yīng)，M82，90和M84，92開始順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，以使它們自己標(biāo)稱正交于場方向。在時間t2處，位電流106被切換為導(dǎo)通。位電流106沿著一個方向流動，從而M82，90和M84，92在同樣的方向上進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，這個方向與位線磁場HD產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的方向相同。在這一時間點(diǎn)，字線電流104和位線電流106都為導(dǎo)通，M82，90和M84，92標(biāo)稱正交于相對于電流線為45度的網(wǎng)格磁場方向。
在時間t3處，字線電流104被切換為斷開，從而M82，90和M84，92僅根據(jù)位線磁場HD旋轉(zhuǎn)。在這一點(diǎn)，M82，90和M84，92通常在它們的硬軸不穩(wěn)定點(diǎn)之后旋轉(zhuǎn)。在時間t4處，位線電流106被切換為斷開，并且M82，90和M84，92將沿著預(yù)定的各向異性軸排成一行。在這一點(diǎn)，M82，90和M84，92已經(jīng)被旋轉(zhuǎn)180°，并且位已經(jīng)被切換。因此，通過連續(xù)地切換字和位電流104和106為導(dǎo)通或斷開，位的M82，90和M84，92被旋轉(zhuǎn)180°，從而器件的狀態(tài)被切換。
在圖4中，對于包括直接和觸發(fā)模式的，有五個操作區(qū)域。在區(qū)域114中沒有切換，例如，在字線14或位線16上沒有足夠的電流，以創(chuàng)建足夠強(qiáng)的磁場來“寫”位18和20。對于區(qū)域116和118中的MRAM操作，直接寫方法分別對寫位18和位20(當(dāng)觸發(fā)18時)有效。當(dāng)使用直接寫方法時，不需要判定MRAM器件的初始狀態(tài)，因?yàn)閮H當(dāng)如果將要寫入的狀態(tài)與存儲的狀態(tài)不同時，切換該狀態(tài)。被寫入的狀態(tài)的選擇由字線14和位線16的電流方向決定。例如，如果將要寫入“1”，則所有線中電流的方向都是正向。如果在元件中已經(jīng)存儲了“1”，并且“1”將要被寫入，則MRAM器件的最終狀態(tài)將繼續(xù)為“1”。而且，如果已經(jīng)存儲了“0”，并且“1”將要被寫入，具有正向電流，則MRAM器件的最終狀態(tài)將為“1”。當(dāng)通過在字線和位線上都使用負(fù)向電流寫入“0”時，可以獲得類似的結(jié)果。因此，利用電流脈沖的極性，狀態(tài)可以被編程為預(yù)定的“0”或“1”，而不考慮初始狀態(tài)。
對于區(qū)域120和122中的MRAM操作，觸發(fā)寫方法是有效的。在區(qū)域120中，將觸發(fā)位18，而在區(qū)域122中，將觸發(fā)位18和20。當(dāng)使用觸發(fā)寫方法時，需要在寫之前判定MRAM器件的初始狀態(tài)，因?yàn)橹灰獙τ谧志€14和位線16都選擇同樣極性的電流脈沖，每次寫MRAM器件都將有狀態(tài)切換，不論電流方向如何。例如，如果最初存儲的是“1”，在字線和位線中流過一個正向電流脈沖序列之后，則器件的狀態(tài)被切換為“0”。在存儲的“0”狀態(tài)上重復(fù)正向電流脈沖序列，將切換為“1”。因此，為了在存儲器元件上寫入期望的狀態(tài)，必須首先讀出MRAM器件10的初始狀態(tài)，并且與將被寫入的狀態(tài)進(jìn)行比較。該讀出和比較需要額外的邏輯電路，包括一個緩沖區(qū)，用于存儲信息；以及比較器，用于比較存儲器狀態(tài)。僅當(dāng)存儲的狀態(tài)與將要寫入的狀態(tài)不同，MRAM器件10被寫入。該方法的一個優(yōu)點(diǎn)是，降低了功耗，因?yàn)閮H切換不同的位。使用觸發(fā)寫方法的另一個優(yōu)點(diǎn)是，僅需要單極性的電壓，因此，可以使用較小的N溝道晶體管驅(qū)動MRAM器件。
兩種寫方法都包括在字線14和位線16上提供電流，從而磁瞬間向量82，84，90和92能沿著在前面討論的兩個最佳方向之一。
圖6表示根據(jù)第二實(shí)施例的兩個位MRAM器件124的簡化剖面圖。除了第二實(shí)施例中的導(dǎo)電隔離層126比第一實(shí)施例的導(dǎo)電隔離層19厚，器件124與圖1的器件10類似。該較大的厚度125，例如500埃，允許分別寫位18和20(如圖7所示)，因?yàn)槲痪€16離位20比位18遠(yuǎn)(位線16能夠影響位18而不影響位20)，而字線14離位20比位18遠(yuǎn)(字線能夠影響位18而不影響位20)。位18可以分別用觸發(fā)寫模式128和直接寫模式130寫入，并且位20可以分別用觸發(fā)寫模式132和直接寫模式134寫入。
因此，在字線14和位線16上相對較低的電流將不寫114位18或20，而在字線14和位線16上相對較高的電流將寫118，122位18和20。在字線14上相對較低的電流和在位線16上相對較高的電流將寫132，134位20，而在字線14上相對較高的電流和在位線16上相對較低的電流將寫128，130位18。
直接和觸發(fā)寫模式都可以如第一實(shí)施例那樣使用在第二實(shí)施例中。位18和20被構(gòu)造，從而磁性各向異性軸理想地為相對于字線和位線14和16成45°角。因此，磁瞬間向量M82，90和M84，92在時間t0處沿著相對于字線和位線方向最佳45°角的方向上(圖5)。作為寫方法的一個例子，為了使用直接或觸發(fā)寫切換位18和20的狀態(tài)，使用下面的電流脈沖序列。在時間t1處，字電流104增加，并且根據(jù)字電流104的方向，由于自旋觸發(fā)效應(yīng)，M82，90和M84，92開始順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，以將它們自己排列為標(biāo)稱正交于場方向。在時間t2處，位電流106被切換為導(dǎo)通。位電流106沿著一個方向流動，從而M82，90和M84，92在與位線磁場HD產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的方向相同的方向上進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)。在這一時間點(diǎn)，字線電流104和位線電流106都導(dǎo)通，在相對于電流線45°處，M82，90和M84，92標(biāo)稱正交于相對電流線為45度的網(wǎng)格磁場方向。
在時間t3處，字線電流104被切換為斷開，從而M82，90和M84，92僅根據(jù)位線磁場HD旋轉(zhuǎn)。在這一點(diǎn)，M82，90和M84，92通常在它們的硬軸不穩(wěn)定點(diǎn)之后旋轉(zhuǎn)。在時間t4處，位線電流106被切換為斷開，并且M82，90和M84，92將沿著優(yōu)選的各向異性軸排成一行。在這一時間點(diǎn)，M82，90和M84，92已經(jīng)被旋轉(zhuǎn)180°，并且位已經(jīng)被切換。因此，通過連續(xù)地切換字和位電流104和106為導(dǎo)通或斷開，位的M82，90和M84，92可被旋轉(zhuǎn)180°，從而器件的狀態(tài)被切換。
圖7示出，對于包括直接和觸發(fā)模式的第二實(shí)施例有七個操作區(qū)域。在區(qū)域114中沒有切換，例如，在字線14或位線16上沒有足夠的電流，以創(chuàng)建足夠強(qiáng)的磁場來“寫”位18和20。對于區(qū)域118，130和134中的MRAM操作，直接寫方法分別對寫位18(區(qū)域130)和位20(區(qū)域134)有效。當(dāng)使用直接寫方法時，不需要判定MRAM器件的初始狀態(tài)，因?yàn)閮H當(dāng)將要寫入的狀態(tài)與存儲的狀態(tài)不同時切換該狀態(tài)。被寫入的狀態(tài)的選擇由字線14和位線16的電流方向決定。例如，如果寫入“1”，則所有線中電流的方向都是正向。如果在元件中已經(jīng)存儲了“1”，并且“1”被寫入，則MRAM器件的最終狀態(tài)將繼續(xù)為“1”。而且，如果已經(jīng)存儲了“0”，并且“1”將要被寫入，具有正向電流，則MRAM器件的最終狀態(tài)將為“1”。當(dāng)通過在字線和位線上都使用負(fù)向電流寫入“0”時，可以獲得類似的結(jié)果。因此，利用電流脈沖的極性，狀態(tài)可以被編程為期望的“0”或“1”，而不論初始狀態(tài)如何。
對于區(qū)域122(位18和22)，128(位18)和132(位20)中的MRAM操作，觸發(fā)寫方法有效。當(dāng)使用觸發(fā)寫方法時，需要在寫之前判定MRAM器件的初始狀態(tài)，因?yàn)橹灰獙τ谧志€14和位線16都選擇同樣極性的電流脈沖，每次寫MRAM器件都將有狀態(tài)切換，不論電流的方向如何。例如，如果最初存儲的是“1”，在字線和位線中流過一個正向電流脈沖序列之后，則設(shè)備的狀態(tài)被切換為“0”。在存儲的“0”狀態(tài)上重復(fù)正向電流脈沖序列，將切換為“1”。因此，為了能在存儲器元件上寫入預(yù)期的狀態(tài)，必須首先讀出MRAM器件10的初始狀態(tài)，并且與將被寫入的狀態(tài)進(jìn)行比較。該讀出和比較需要額外的邏輯電路，包括一個緩沖區(qū)，用于存儲信息，以及比較器，用于比較存儲器狀態(tài)。僅當(dāng)存儲的狀態(tài)與將要寫入的狀態(tài)不同，MRAM器件10被寫入。該方法的一個優(yōu)點(diǎn)是，降低了功耗，因?yàn)閮H切換不同的位。使用觸發(fā)寫方法的另一個優(yōu)點(diǎn)是，僅需要單極性的電壓，因此，可使用較小的N溝道晶體管驅(qū)動MRAM器件。
兩種寫方法都包括在字線14和位線16上提供電流，從而磁瞬間向量82，84，90和92能夠沿著前面討論的兩個最佳方向之一。
本發(fā)明的第三實(shí)施例允許將位18和20分別編程，在字線14和位線16上使用相同的電流大小。第三實(shí)施例采用與圖1所示相類似的結(jié)構(gòu)，除了位18和20分別沿著長軸的方向垂直形成，如圖8所示。位18在沿著+45度，位20在沿著負(fù)45度。因此，位18和20具有不干擾的機(jī)制，為完全獨(dú)立可編程的。
對于位18，鐵磁體層30和32每一層分別具有磁瞬間向量82和84，通過反鐵磁體耦合隔離層28的耦合，通常保持反向平行。而且，磁性區(qū)域22具有合成磁瞬間向量86，而磁性區(qū)域26具有合成磁瞬間向量88。合成磁瞬間向量86和88沿著各向異性易軸，最好是在從字線14和位線16(見圖2)45°角方向上。而且，磁性區(qū)域22是自由磁性區(qū)域，也就是說合成磁瞬間向量86在施加磁場時是自由旋轉(zhuǎn)的。磁性區(qū)域26是連接鐵磁體區(qū)域，也就是說合成磁瞬間向量88在存在適中施加的磁場時不是自由旋轉(zhuǎn)的，并用作參考層。
對于位20，鐵磁體層60和62每一層分別具有磁瞬間向量90和92，通過反鐵磁體耦合隔離層58，通常保持反向平行。而且，磁性區(qū)域52具有合成磁瞬間向量94，而磁性區(qū)域56具有合成磁瞬間向量96。合成磁瞬間向量94和96沿著各向異性易軸，最好是在從字線14和位線16(見圖8)-45°角方向上。而且，磁性區(qū)域52是自由磁性區(qū)域，也就是說合成磁瞬間向量94在存在施加磁場時是自由旋轉(zhuǎn)的。磁性區(qū)域56是連接鐵磁體區(qū)域，也就是說合成磁瞬間向量96在存在施加的磁場時不是自由旋轉(zhuǎn)的，并用作參考層。
這種不同的朝向允許對于位18和20的寫入在不同的象限，如圖9所示。當(dāng)HW108和Hd110均為正或均為負(fù)時，位18可以被編程128，130(分別為觸發(fā)或直接模式)。當(dāng)HW108為正而Hd110為負(fù)，或者HW108為負(fù)而Hd110為正時，位20可以被編程132，134(分別為觸發(fā)或直接模式)。這允許通過選擇字線14或位線16的極性對任何位獨(dú)立編程。
位18和20被構(gòu)造，從而磁性各向異性軸理想上為相對于字線和位線14和16成45°角，并彼此垂直。因此，磁瞬間向量M82，90和M84，92在時間t0處沿著相對于字線和位線方向最佳45°角和-45°角的方向上。作為寫方法的一個例子，為了使用直接或觸發(fā)寫切換位18和20的狀態(tài)，使用下面的電流脈沖序列。在時間t1處，字電流104增加，并且根據(jù)字電流104的方向，由于自旋觸發(fā)效應(yīng)，M82，90和M84，92開始順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，以將它們自己標(biāo)稱正交于場方向。在時間t2處，位電流106被切換為導(dǎo)通。位電流106沿著一個方向流動，從而M82，90和M84，92在與位線磁場HD產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的方向相同的方向上進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)。在這一時間點(diǎn)，字線電流104和位線電流106都為導(dǎo)通，M82，90和M84，92標(biāo)稱正交于相對電流線為45度的網(wǎng)格磁場方向。
在時間t3處，字線電流104被切換為斷開，從而M82，90和M84，92僅根據(jù)位線磁場HD旋轉(zhuǎn)。在這一點(diǎn)，M82，90和M84，92通常在它們的硬軸不穩(wěn)定點(diǎn)之后旋轉(zhuǎn)。在時間t4處，位線電流106被切換為斷開，M82，90和M84，92沿著優(yōu)選的各向異性軸排成一行。在這一點(diǎn)，M82，90和M84，92已經(jīng)被旋轉(zhuǎn)180°，并且位已經(jīng)被切換。因此，通過順序地切換字和位電流104和106導(dǎo)通或斷開，位的M82，90和M84，92可被旋轉(zhuǎn)180°，從而設(shè)備的狀態(tài)被切換。
圖9示出用于包括直接和觸發(fā)模式的第三實(shí)施例的五個操作區(qū)域。在區(qū)域114中沒有切換，例如，在字線14或位線16上沒有足夠的電流，以創(chuàng)建足夠強(qiáng)的磁場來“寫”位18和20。對于區(qū)域130和134中的MRAM操作，直接寫方法分別對寫位18，以及位18和位20有效。當(dāng)使用直接寫方法時，不需要判定MRAM器件的初始狀態(tài)，因?yàn)閮H當(dāng)將要寫入的狀態(tài)與存儲的狀態(tài)不同時切換該狀態(tài)。被寫入的狀態(tài)的選擇由字線14和位線16的電流方向決定。例如，如果將要寫入“1”，則所有線中電流的方向都是正向。如果在元件中已經(jīng)存儲了“1”，并且“1”被寫入，則MRAM器件的最終狀態(tài)將繼續(xù)為“1”。而且，如果已經(jīng)存儲了“0”，并且“1”要被寫入，具有正向電流，則MRAM器件的最終狀態(tài)將為“1”。當(dāng)通過在字線和位線上都使用負(fù)向電流寫入“0”時，可以獲得類似的結(jié)果。因此，利用電流脈沖的適當(dāng)極性，狀態(tài)可以被編程為期望的“0”或“1”，而不論初始狀態(tài)如何。
對于區(qū)域128和132中的MRAM操作，觸發(fā)寫方法對位18和20分別是有效的。當(dāng)使用觸發(fā)寫方法時，需要在寫之前判定MRAM器件的初始狀態(tài)，因?yàn)橹灰獙τ谧志€14和位線16都選擇同樣極性的電流脈沖，不論電流的方向如何，每次寫MRAM器件都將有狀態(tài)切換。例如，如果最初存儲的是“1”，在字線和位線中流過一個正向電流脈沖序列之后，則器件的狀態(tài)被切換為“0”。在存儲的“0”狀態(tài)上重復(fù)正向電流脈沖序列，將切換為“1”。因此，為了能在存儲器元件上寫入期望的狀態(tài)，必須首先讀出MRAM器件10的初始狀態(tài)，并且與將被寫入的狀態(tài)進(jìn)行比較。該讀出和比較需要額外的邏輯電路，包括一個緩沖區(qū)，用于存儲信息；以及比較器，用于比較存儲器狀態(tài)。僅當(dāng)存儲的狀態(tài)與將要寫入的狀態(tài)不同，MRAM器件10被寫入。該方法的一個優(yōu)點(diǎn)是，降低了功耗，因?yàn)閮H切換不同的位。使用觸發(fā)寫方法的另一個優(yōu)點(diǎn)是，僅需要單極性的電壓，因此，可使用較小的N溝道晶體管驅(qū)動MRAM器件。
兩種寫方法都包括在字線14和位線16上提供電流，從而磁瞬間向量82，84，90和92能夠沿著前面討論的兩個最佳方向之一。
這里所選的實(shí)施例的變化和更改僅用于說明的目的，熟知本技術(shù)的人員能夠進(jìn)行。將這樣的更改和變化進(jìn)行擴(kuò)展而不脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)，它們?nèi)栽诒景l(fā)明的范圍之內(nèi)，由下面的權(quán)利要求所解釋。
在前面的說明中，已經(jīng)參照特定的最佳實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是，顯而易見地，可以根據(jù)下面所列的權(quán)利要求進(jìn)行不同的更改和變化而不脫離本發(fā)明的范圍。說明書和附圖僅僅被考慮為說明的方式，而不是對包括在本發(fā)明范圍內(nèi)的一個或所有的更改的限制。
這里使用的術(shù)語“包括”，“包含”，或者其任何變化，都是指非限制性的包括，例如處理，方法，物件，組合或裝置，其包括一系列元件，不僅僅包括所提及的元件，而是可以包括未列出的其它元件或者這樣的處理，方法，物件，組合或裝置。
權(quán)利要求
1.一種對具有位于兩個電流導(dǎo)體之間的兩個位的存儲器單元進(jìn)行編程的方法，包括觸發(fā)兩個位的邏輯狀態(tài)；以及觸發(fā)兩個位之一的邏輯狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對存儲器單元進(jìn)行編程的方法，還包括讀所述兩個位，以獲得存儲的信息；以及在觸發(fā)該兩個位之前將存儲的信息與要寫入的編程信息比較。
3.一種對具有位于兩個電流導(dǎo)體之間的兩個位的存儲器單元進(jìn)行編程的方法，包括分別觸發(fā)每一個位的邏輯狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對存儲器單元進(jìn)行編程的方法，還包括讀所述兩個位，以獲得存儲的信息；以及在觸發(fā)該兩個位的每一個之前將所述存儲的信息與要寫入的編程信息比較。
5.一種對具有位于第一和第二電流導(dǎo)體之間的兩個位的存儲器單元進(jìn)行編程的方法，包括決定下述一個或兩個步驟，包括對每一個導(dǎo)體施加電流，從而設(shè)置所述兩個位的邏輯狀態(tài)；以及對每一個導(dǎo)體施加較小的電流，從而僅設(shè)置兩個位中的一個的邏輯狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對存儲器單元進(jìn)行編程的方法，還包括讀所述兩個位，以獲得存儲的信息；以及在設(shè)置該兩個位的邏輯狀態(tài)之前將所述存儲的信息與要寫入的信息比較。
7.一種對具有位于第一和第二電流導(dǎo)體之間的第一和第二位的存儲器單元進(jìn)行編程的方法，包括決定下述步驟之一包括分別對第一和第二電流導(dǎo)體施加第一和第二電流以對第一和第二位編程；對第二導(dǎo)體施加第二電流和對第一導(dǎo)體施加第三電流來對第一位進(jìn)行編程，第三電流在幅度上小于第一電流；以及對第一導(dǎo)體施加第一電流和對第二導(dǎo)體施加第四電流來對第二位進(jìn)行編程，第四電流在幅度上小于第二電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的對存儲器單元進(jìn)行編程的方法，還包括讀所述兩個位，以獲得存儲的信息；以及在編程之前將所述存儲的信息與要寫入的信息比較。
9.一種對具有位于第一和第二電流導(dǎo)體之間的第一和第二位的存儲器單元進(jìn)行編程的方法，包括通過對第一和第二電流導(dǎo)體施加正向電流和對第一和第二電流導(dǎo)體施加負(fù)向電流中的之一對第一位編程；以及對第一和第二電流導(dǎo)體之一施加正向電流和對第一和第二電流導(dǎo)體的另一個施加負(fù)向電流來對第二位編程。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的對存儲器單元進(jìn)行編程的方法，還包括讀所述兩個位，以獲得存儲的信息；以及在對第一和第二位的每一個編程之前將所述存儲的信息與要寫入的編程信息比較。
全文摘要
一種切換可調(diào)節(jié)的磁致電阻存儲器單元的方法，包括步驟提供磁致電阻存儲器器件(12)，其具有夾在字線(14)和位線(16)之間的兩個位(18)和(20)，從而電流波形(104)和(106)能夠在不同的時刻施加在字線和位線上，以產(chǎn)生磁場通量H
文檔編號G11C11/16GK1842873SQ200480024513
公開日2006年10月4日 申請日期2004年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月25日
發(fā)明者布雷德利·N·恩格爾, 埃里奇·J·薩爾特, 約恩·M·斯勞特 申請人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司