專(zhuān)利名稱(chēng)：用于磁存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持指示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁存儲(chǔ)器，例如磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)，更具體地說(shuō)，涉及一種方法和一種器件用來(lái)指示這種磁存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持，從而指示無(wú)差錯(cuò)磁存儲(chǔ)器性能。
背景技術(shù)：
目前，磁性或磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)被許多公司看作快閃存儲(chǔ)器的替代品。除最快的靜態(tài)RAM(SRAM)以外，它具有替代所有存儲(chǔ)器的潛力。這使得MRAM非常適合作為片上系統(tǒng)(SoC)的嵌入式存儲(chǔ)器。它是一種非易失性的存儲(chǔ)器(NVM)器件，這意味著保持存儲(chǔ)的信息不需要任何電力。相對(duì)于大多數(shù)其它類(lèi)型的存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)被看作是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。MRAM存儲(chǔ)器尤其是能夠用于“移動(dòng)”應(yīng)用上，例如智能卡、移動(dòng)電話、PDA等。
MRAM概念最初是在美國(guó)的Honeywell公司發(fā)展起來(lái)的，它將磁性多層器件中的磁化方向用作信息存儲(chǔ)器，而將得到的電阻差用于讀出信息。與所有的存儲(chǔ)器器件一樣，MRAM陣列中的每個(gè)存儲(chǔ)器元件都必須能夠保存代表“1”或“0”的至少兩個(gè)二進(jìn)制狀態(tài)。
存在不同種類(lèi)的磁阻(MR)效應(yīng)，其中巨型磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)是目前最重要的。GMR效應(yīng)和TMR效應(yīng)提供了實(shí)現(xiàn)只添加(a.o.)非易失性磁存儲(chǔ)器的可能性。這些器件包括一疊薄膜，其中至少兩層是鐵磁性的或亞鐵磁性的，并且由一層非磁性中間層分隔開(kāi)。GMR是具有導(dǎo)體中間層結(jié)構(gòu)的磁阻，TMR是具有電介質(zhì)中間層結(jié)構(gòu)的磁阻。如果在兩個(gè)鐵磁性或亞鐵磁性膜中間放上非常薄的導(dǎo)體，那么，這種復(fù)合多層結(jié)構(gòu)的有效平面電阻，在這些膜的磁化方向平行的時(shí)候最小，在這些膜的磁化方向反平行的時(shí)候最大。如果在兩個(gè)鐵磁性或亞鐵磁性膜中間放上薄電介質(zhì)中間層，那么，當(dāng)這些膜的磁化方向平行的時(shí)候，將觀測(cè)到膜之間的隧道電流最大(或者因此電阻最小)，當(dāng)這些膜的磁化方向反平行的時(shí)候，膜之間的隧道電流最小(或者因此電阻最大)。
通常用上述結(jié)構(gòu)從平行變到反平行磁化狀態(tài)時(shí)電阻的百分比增量來(lái)測(cè)量磁阻。TMR器件能夠比GMR結(jié)構(gòu)提供更高百分比的磁阻，因此，具有更強(qiáng)信號(hào)和更高速度的潛力。與好的GMR單元中10～14％的磁阻相比，新近的結(jié)果表明隧道效應(yīng)給出了超過(guò)40％的磁阻。
典型的MRAM器件包括排列成陣列的多個(gè)磁阻存儲(chǔ)器元件10，例如磁隧道結(jié)(MTJ)元件，圖1示出了其中的一個(gè)。圖2示出了磁阻存儲(chǔ)器元件10陣列20。MTJ存儲(chǔ)器元件10一般包括一個(gè)分層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)包括定位或固定的(pinned)難磁化層11、自由層12和它們之間的電介質(zhì)隔層13。磁性材料的固定層11具有總是指向同一方向的磁矢量。自由層12用于信息存儲(chǔ)。自由層12的磁矢量是自由的，但是被限制在自由層12的易磁化軸之內(nèi)，這個(gè)易磁化軸主要是由磁阻存儲(chǔ)器元件10的物理尺寸決定的。自由層12的磁矢量指向兩個(gè)方向之一與固定層11的磁化強(qiáng)度方向平行或反平行，該磁化強(qiáng)度方向和所述易磁化軸一致。MRAM的基本原理是以磁化強(qiáng)度方向?yàn)榛A(chǔ)，將信息作為二進(jìn)制數(shù)據(jù)例如“0”和“1”來(lái)存儲(chǔ)。這就是為什么磁數(shù)據(jù)是非易失性的，不會(huì)改變，直到受到外部磁場(chǎng)的影響。
向磁阻存儲(chǔ)器元件10中存儲(chǔ)或?qū)懭霐?shù)據(jù)是通過(guò)施加磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致自由層12中的磁性材料磁化成兩種可能的存儲(chǔ)態(tài)之一完成的。當(dāng)磁阻存儲(chǔ)器元件10分層結(jié)構(gòu)的兩個(gè)磁層11、12被磁化為具有相同取向(平行)時(shí)，數(shù)據(jù)是兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)值中的一個(gè)，例如“0”，另外，如果磁阻存儲(chǔ)器元件10分層結(jié)構(gòu)的兩個(gè)磁層11、12被磁化為具有相反取向(反平行)，那么這個(gè)數(shù)據(jù)是另一個(gè)二進(jìn)制數(shù)值，例如“1”。這些磁場(chǎng)是通過(guò)使電流流過(guò)在這些磁結(jié)構(gòu)外部的電流線(字線14、14a、14b、14c和位線15、15a、15b、15c)而產(chǎn)生的。要注意，兩個(gè)磁場(chǎng)分量是用來(lái)區(qū)分存儲(chǔ)器元件10s和其它未被選中的存儲(chǔ)器元件10的。
數(shù)據(jù)的讀出是在施加磁場(chǎng)時(shí)，通過(guò)感測(cè)磁存儲(chǔ)器元件10中的電阻變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用分層結(jié)構(gòu)11、12、13的電阻隨著磁取向是否平行而改變這一事實(shí)，該系統(tǒng)能夠區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的兩個(gè)二進(jìn)制值，例如“0”或者“1”。用于讀出所必需的磁場(chǎng)是通過(guò)使電流流過(guò)在這些磁結(jié)構(gòu)外部的字線，或者流過(guò)這些磁結(jié)構(gòu)本身(通過(guò)位線15和感測(cè)線16)而產(chǎn)生的。對(duì)選中存儲(chǔ)器元件10s的讀出是通過(guò)一個(gè)連接到過(guò)孔21的串聯(lián)晶體管17，以避免寄生電流流過(guò)其它存儲(chǔ)器元件10實(shí)現(xiàn)的。
最常見(jiàn)的MRAM設(shè)計(jì)是1T1MTJ(每1個(gè)MTJ單元10配1個(gè)晶體管17)類(lèi)型的，如圖1所示。包括多個(gè)磁阻存儲(chǔ)器元件10的存儲(chǔ)器陣列20包括正交的位線15a、15b、15c和字線14a、14b、14c，位線和字線分別在磁阻存儲(chǔ)器元件10的上、下各自構(gòu)圖成兩個(gè)金屬層，在這個(gè)實(shí)例中元件10是磁隧道結(jié)(MTJ)疊層。位線15a、15b、15c與存儲(chǔ)器元件10的難磁化軸平行，在易磁化軸方向產(chǎn)生磁場(chǎng)，而字線14a、14b、14c則在難磁化軸方向產(chǎn)生磁場(chǎng)。在某些設(shè)計(jì)中這種關(guān)系可以相反，即位線15可以產(chǎn)生難磁化軸磁場(chǎng)，而字線14可以產(chǎn)生易磁化軸磁場(chǎng)。對(duì)選中存儲(chǔ)器元件10s的寫(xiě)入是通過(guò)同時(shí)施加電流脈沖通過(guò)相應(yīng)位線15b和字線14a來(lái)完成的，這些位線和字線在這個(gè)存儲(chǔ)器元件10s處交叉。得到的場(chǎng)的方向與存儲(chǔ)器元件10s的自由層12的易磁化軸成45°角。在這個(gè)角度上，自由層12的切換場(chǎng)最弱，因而可以用最小的電流完成寫(xiě)入。
MRAM元件的切換曲線可以用它的所謂星形曲線30、31來(lái)表示，如圖3所示。星形曲線30、31清楚地區(qū)分開(kāi)了不同時(shí)間段的切換和非切換事件。星形曲線30是說(shuō)明未被選中存儲(chǔ)器元件10的10年穩(wěn)定性的曲線，星形曲線31是說(shuō)明未被選中存儲(chǔ)器元件10的10納秒穩(wěn)定性的曲線。換句話說(shuō)，如果在星形曲線30、31內(nèi)施加磁場(chǎng)，磁存儲(chǔ)器元件10不會(huì)切換，保持它們的狀態(tài)分別達(dá)10年、10納秒，而如果先前的狀態(tài)與當(dāng)前狀態(tài)相反，那么超出星形線30、31的場(chǎng)就會(huì)切換磁存儲(chǔ)器元件10狀態(tài)。因此只有在兩個(gè)磁場(chǎng)分量都存在的情況下，存儲(chǔ)器元件10的位狀態(tài)才能夠切換。
如果字線14或位線15產(chǎn)生的磁場(chǎng)幅度相同，那么所得磁場(chǎng)的方向相對(duì)于選中存儲(chǔ)器元件10s的自由層12的易磁化軸成45°角。在這個(gè)角度上，自由層12的切換場(chǎng)是最弱的，如圖3中星形曲線30、31所示，因而可以用最小的電流完成寫(xiě)入。
一方面，被選中位線15b和字線14a中的電流必須以這樣的方式選擇，從而使得在與易磁化軸成45°的角度上，總磁場(chǎng)足以超出所選存儲(chǔ)器元件10s的切換場(chǎng)，或者換句話說(shuō)，所得場(chǎng)矢量32的末端在這個(gè)方向的星形曲線30、31之上或之外(見(jiàn)圖3)。另一方面，為了防止不希望的重寫(xiě)，由所選位線15b產(chǎn)生的磁場(chǎng)的幅度必須明顯地小于位于同一位線15b上的任何一個(gè)存儲(chǔ)器元件10的易磁化軸方向EA上的切換場(chǎng)。同樣，為了防止不希望的重寫(xiě)，由所選字線14a產(chǎn)生的磁場(chǎng)的幅度必須明顯地小于位于同一字線14a上的任何一個(gè)存儲(chǔ)器元件10的難磁化軸方向HA上的切換場(chǎng)。
圖3還示出了穩(wěn)定的寫(xiě)入場(chǎng)窗口33，也就是說(shuō)，如果先前的狀態(tài)是相反的，并且所得磁場(chǎng)矢量32落在這樣的寫(xiě)入場(chǎng)窗口33之內(nèi)，就可以切換所選存儲(chǔ)器元件10s的磁化狀態(tài)，其中的磁場(chǎng)矢量32是通過(guò)在所選位線15上施加第一個(gè)電流，在所選字線14上施加第二個(gè)電流得到的，但是所選字線14或位線15之一上未被選中的存儲(chǔ)器元件10不會(huì)切換狀態(tài)。
對(duì)于存儲(chǔ)器元件10的陣列20，給星形曲線30、31一個(gè)統(tǒng)計(jì)解釋。換句話說(shuō)，可以賦予星形曲線30、31表示高斯形切換場(chǎng)分布的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差參數(shù)σ。
切換場(chǎng)分布的一維表示如圖4所示。作為一個(gè)實(shí)例，在圖的左邊用曲線40示出邏輯‘0’值的分布，在圖的右邊用曲線41示出邏輯‘1’值的分布。兩個(gè)分布都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差參數(shù)σ，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)對(duì)于兩個(gè)邏輯值標(biāo)準(zhǔn)偏差都相同。但是要注意，實(shí)際上，對(duì)于兩個(gè)分布來(lái)說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)偏差參數(shù)σ不必相同。
有意或無(wú)意地暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)下，MRAM單元以及一般的磁存儲(chǔ)器都容易受損，這是它們的缺點(diǎn)。很高密度的MRAM陣列20對(duì)磁場(chǎng)特別敏感，主要是因?yàn)闃O小的磁阻存儲(chǔ)器元件10只需要相對(duì)弱的磁場(chǎng)進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，這些讀/寫(xiě)操作要依靠自由層12中磁矢量的切換或感測(cè)。這些磁矢量則容易因?yàn)檫@種外部磁場(chǎng)而受到影響，并改變它們的磁取向。從邏輯‘0’和‘1’值的切換場(chǎng)分布角度，圖4中的虛線42示出了保持位穩(wěn)定允許的最大場(chǎng)范圍。換句話說(shuō)，如果最強(qiáng)外部場(chǎng)超過(guò)了這些限制，那么存儲(chǔ)器元件中保存的數(shù)據(jù)至少有一些會(huì)改變。
一種解決方案是將存儲(chǔ)器元件與外部磁場(chǎng)屏蔽開(kāi)。但是，屏蔽也有其局限性，總是可以施加更強(qiáng)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)在數(shù)據(jù)層附近產(chǎn)生外部磁場(chǎng)，這對(duì)于數(shù)據(jù)保持會(huì)有潛在的影響。
因此，希望檢測(cè)是否超過(guò)了某個(gè)磁場(chǎng)門(mén)限，因?yàn)樵谶@種磁場(chǎng)下磁存儲(chǔ)器陣列中的數(shù)據(jù)完整性不能得到保證。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以設(shè)計(jì)專(zhuān)用磁場(chǎng)傳感器并集成在芯片上，這個(gè)傳感器能夠檢測(cè)任何磁場(chǎng)門(mén)限。但是，增加這個(gè)功能會(huì)導(dǎo)致額外的成本，例如由于在存儲(chǔ)器器件制造期間額外的掩模步驟。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種磁場(chǎng)傳感器，用于指示磁存儲(chǔ)器元件陣列中的數(shù)據(jù)保持，相對(duì)于該存儲(chǔ)器陣列的制造成本不會(huì)明顯引入額外成本。
上述目的是通過(guò)本發(fā)明的方法和器件實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明提供一種磁阻存儲(chǔ)器元件陣列，該陣列提供至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件。該至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件包括第一磁性元件和第二磁性元件，每個(gè)磁性元件都有預(yù)置的磁化方向，所述第一和第二磁性元件的預(yù)置磁化方向互不相同。所述第一和第二磁性元件適合于將它們的磁化方向?qū)?zhǔn)超過(guò)檢測(cè)門(mén)限值的外加磁場(chǎng)的磁力線。根據(jù)本發(fā)明，選擇所述至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件的參數(shù)，從而設(shè)置要檢測(cè)的所述外加磁場(chǎng)的所述檢測(cè)門(mén)限值。該至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件具有狀態(tài)或輸出來(lái)指示所述陣列的磁阻存儲(chǔ)器元件暴露在所述外加磁場(chǎng)中。
該參數(shù)可以包括所述器件的幾何形狀，即它可以包括所述第一和第二磁性元件的形狀、大小和縱橫比中的任何一個(gè)或者它們的組合。
所述第一和第二磁性元件可以包括多個(gè)MRAM單元。所述MRAM單元具有自由磁層，并且根據(jù)本發(fā)明所述MRAM單元可以有它們的自由磁層預(yù)置的相反磁化方向。
所述至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件可以在其數(shù)據(jù)保持必須得到指示的磁存儲(chǔ)器元件附近構(gòu)建。多個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件在空間上分布于所述陣列中的磁存儲(chǔ)器元件中間。
本發(fā)明還提供一種集成電路，其中包括本發(fā)明的磁存儲(chǔ)器元件陣列。所述集成電路還包括一個(gè)控制電路，在所述至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件的任何一個(gè)給出指示，說(shuō)明所述陣列暴露在超過(guò)所述檢測(cè)門(mén)限值的外加磁場(chǎng)中的時(shí)候，用于產(chǎn)生差錯(cuò)信號(hào)。
本發(fā)明還提供一種方法，用于指示磁存儲(chǔ)器元件陣列的數(shù)據(jù)保持。該方法包括當(dāng)所述陣列暴露給超過(guò)預(yù)置磁場(chǎng)門(mén)限電壓的外加磁場(chǎng)時(shí)，改變磁性數(shù)據(jù)保持指示器器件的預(yù)置磁化方向。
通過(guò)以下詳細(xì)說(shuō)明，同時(shí)結(jié)合附圖，本發(fā)明的這些和其它特征、功能和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見(jiàn)，這些附圖用舉例的方法說(shuō)明本發(fā)明的原理。這里的描述只是用作實(shí)例，并不是要限制本發(fā)明的范圍。以下引用的標(biāo)號(hào)涉及附圖。


圖1A說(shuō)明MRAM的寫(xiě)入原理，圖1B說(shuō)明MRAM的讀出原理。
圖2是已知的1T1MTJ MRAM設(shè)計(jì)的透視圖，這種設(shè)計(jì)包括多個(gè)存儲(chǔ)器元件和垂直的位線與字線。磁隧道結(jié)(MTJ)位于位線和字線的交叉區(qū)域。這些MTJ的底部電極用過(guò)孔連接到選擇晶體管上，讀取存儲(chǔ)器元件時(shí)使用它們。
圖3畫(huà)出了一條星形曲線，該曲線示出了在MRAM中進(jìn)行穩(wěn)固寫(xiě)操作，得到穩(wěn)定寫(xiě)入場(chǎng)窗口的準(zhǔn)則。
圖4說(shuō)明磁阻存儲(chǔ)器元件陣列具有代表性標(biāo)準(zhǔn)偏差參數(shù)σ的磁場(chǎng)分布。
圖5是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中數(shù)據(jù)保持指示器器件的側(cè)視示意圖。
圖6示出了將工藝變化考慮在內(nèi)的MRAM元件的切換場(chǎng)。
在不同的圖中，相同的標(biāo)號(hào)指的是相同或類(lèi)似的元件。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在結(jié)合具體實(shí)施例并參考特定的附圖來(lái)描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不受它們的限制，而是僅僅由權(quán)利要求來(lái)限定。這些附圖僅僅是示意性的，而不是限制性的。在這些附圖中，為了進(jìn)行說(shuō)明，可能把有些元件的尺寸放大了，沒(méi)有按比例畫(huà)出。在本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中用到術(shù)語(yǔ)“包括”，它并不排除其它的元件或步驟。當(dāng)涉及單數(shù)名詞時(shí)所用的不定冠詞或定冠詞，例如“一”或“一個(gè)”，“這個(gè)”，也包括多個(gè)該名詞，除非有其它具體說(shuō)明。
另外，在本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)第一、第二、第三等，是用來(lái)區(qū)別相似元件的，而不是描述次序或時(shí)間順序。需要明白的是這樣使用的這些術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)?shù)那闆r下是可以互換的，在這里描述的本發(fā)明的實(shí)施例可以按其它次序工作，不只是按這里的描述或圖示。
此外，在本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)頂部、底部、上面、下面等等，只是用于描述，未必是描述相對(duì)位置。需要明白的是這樣使用的這些術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)?shù)那闆r下是可以互換的，這里描述的本發(fā)明的實(shí)施例可以按其它的方向工作，不只是按這里的描述或圖示。
根據(jù)本發(fā)明，提供有數(shù)據(jù)內(nèi)容的磁存儲(chǔ)器元件陣列(圖中沒(méi)有畫(huà)出)，為這個(gè)陣列提供至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件50，該指示器器件50包括第一磁性元件51和第二磁性元件52。
磁阻存儲(chǔ)器元件陣列是以行、列按邏輯組織的。在這里的所有描述中，術(shù)語(yǔ)“水平”和“垂直”用來(lái)提供一種坐標(biāo)系統(tǒng)，僅僅用于進(jìn)行說(shuō)明。它們不必但可以涉及器件的實(shí)際物理方向。另外，術(shù)語(yǔ)“行”和“列”是用來(lái)說(shuō)明聯(lián)系在一起的陣列元件集合的。這種聯(lián)系可以是行和列的笛卡爾陣列形式；但是，本發(fā)明并不限于這種形式。如同本領(lǐng)域技術(shù)人員明白的一樣，列和行能夠很容易地相互交換，因此本說(shuō)明中這些術(shù)語(yǔ)也能相互交換。也可以構(gòu)造非笛卡爾陣列，并且它們包括在本發(fā)明的范圍以?xún)?nèi)。因此，術(shù)語(yǔ)“行”和“列”應(yīng)當(dāng)作廣義解釋。為了方便這種廣義解釋?zhuān)捎昧诵g(shù)語(yǔ)“按行、列邏輯組織”。這意味著存儲(chǔ)器元件集合是以一種拓?fù)渚€性交叉方式聯(lián)系在一起的；但是，其物理或拓?fù)洳季植槐厝绱恕＠纾锌梢允菆A，列可以是這些圓的半徑，在本發(fā)明中將這些圓和半徑描述為按行和列“進(jìn)行邏輯組織”。同樣，各種線的具體名稱(chēng)，例如位線和字線，或者行線和列線，都是為了方便說(shuō)明以及涉及特定功能的通用名稱(chēng)，具體選擇這些詞不管怎樣都不是為了限制本發(fā)明。應(yīng)該明白，所有這些術(shù)語(yǔ)只是用于幫助更好地理解所描述的具體結(jié)構(gòu)，而決不是要限制本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明，數(shù)據(jù)保持指示器器件50包括兩個(gè)相反磁化或偏置的磁性元件51、52。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例，這些相反地二進(jìn)制磁化或偏置的磁性元件51、52可以用離散的磁性元件形成，例如通過(guò)兩個(gè)具有相反或不同地極化的磁化方向的相關(guān)聯(lián)的MRAM單元的組合，如圖5所示。具有相反磁化方向意味著每個(gè)元件51、52都有至少兩個(gè)穩(wěn)定或準(zhǔn)穩(wěn)定磁化方向，并且兩個(gè)元件51、52的布局使得一個(gè)元件51的磁化方向相對(duì)于另一個(gè)元件52是相反的。每個(gè)元件51、52的磁化方向都可以獨(dú)立設(shè)置，或者二個(gè)磁化方向可以一起設(shè)置。例如，相關(guān)聯(lián)的MRAM元件51、52的自由層12是相反地極化的，即如果第一個(gè)MRAM元件51的自由層12在一個(gè)方向上極化，那么第二個(gè)MRAM元件52的自由層12在相反的方向上極化。例如，第一個(gè)MRAM元件51可以有平行的固定層11和自由層12磁化方向，而第二個(gè)MRAM元件52可以有反平行的固定層11和自由層12磁化方向，如圖5所示。在所示實(shí)例中相關(guān)聯(lián)的MRAM元件51、52的固定層11具有相同的磁化方向，而自由層12具有不同的磁化方向?；蛘呦嚓P(guān)聯(lián)的MRAM元件51、52的固定層11也可以具有相對(duì)的磁化方向(沒(méi)有在圖中表示出來(lái))。因?yàn)?，根?jù)本發(fā)明，相關(guān)聯(lián)的MRAM元件的自由層12也具有彼此相反的磁化方向，或者是第一個(gè)和第二個(gè)MRAM元件51、52的固定層11和自由層12可以是相反極化的，或者是第一個(gè)和第二個(gè)MRAM元件51、52的固定層11和自由層12可以具有平行極化。
可以將本發(fā)明的數(shù)據(jù)保持指示器器件50結(jié)合到MRAM元件陣列中去，鄰近其數(shù)據(jù)保持狀況必須得到指示的那些MRAM元件。
因?yàn)殛嚵兄蠱RAM元件的小尺寸及其高密度，暴露在外部磁場(chǎng)中會(huì)引起這些元件的磁化方向發(fā)生改變。特別是MRAM元作的單元對(duì)方式的相對(duì)的磁化方向會(huì)受到干擾，并且產(chǎn)生鄰近MRAM元件的自由層12的磁化方向的平行取向。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，這個(gè)平行取向可能是沿著外部磁場(chǎng)的方向。剩余狀態(tài)將是鄰近MRAM元件的自由層12的磁化方向的平行取向。按照本發(fā)明的實(shí)施例描述的所述數(shù)據(jù)保持指示器器件50是基于上述原理的。但是，本發(fā)明不局限于這個(gè)實(shí)施例。
當(dāng)數(shù)據(jù)保持指示器器件50暴露在強(qiáng)到足夠觸發(fā)該器件的外部磁場(chǎng)中時(shí)，該數(shù)據(jù)保持指示器器件50的磁性元件51、52的磁化方向會(huì)全部改變，從而更多地指向外部施加的磁場(chǎng)的方向。磁性元件51、52的磁化方向的有效改變隨著外部磁場(chǎng)的增強(qiáng)而逐漸增大。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例，如果外加磁場(chǎng)超過(guò)了預(yù)置的門(mén)限值，數(shù)據(jù)保持指示器器件50的MRAM磁性元件51、52之一的自由層12的磁化方向會(huì)永久性地改變，為這個(gè)門(mén)限值制造了該數(shù)據(jù)保持指示器器件50的特殊磁性元件51、52。當(dāng)外部磁場(chǎng)不再存在時(shí)，自由層12的磁化矢量會(huì)全部指向相同方向。這樣一來(lái)，數(shù)據(jù)保持指示器器件50的兩個(gè)MRAM元件51、52現(xiàn)在具有平行的磁化方向。
已知MRAM元件51、52的平行和反平行結(jié)構(gòu)具有不同的電阻。根據(jù)自由層12相對(duì)于固定磁層11的相對(duì)極化是平行還是反平行，MRAM元件51、52的電阻是高或者低。因此，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)保持指示器器件50的兩個(gè)MRAM元件51、52的電阻差，能夠容易地確定它們的相互磁化方向。對(duì)于圖5所示的實(shí)施例，顯著的電阻差表明是正常狀況，即MRAM元件之一51為平行結(jié)構(gòu)，另一個(gè)MRAM元件52為反平行結(jié)構(gòu)，這意味著MRAM元件的陣列還沒(méi)有暴露在超過(guò)門(mén)限值的外部磁場(chǎng)中，為這個(gè)門(mén)限值而制造了MRAM元件51、52。數(shù)據(jù)保持指示器器件50的兩個(gè)MRAM元件51、52之間沒(méi)有明顯的電阻差表明兩個(gè)MRAM元件51、52具有相同極化的磁化方向，因此已經(jīng)暴露在外部磁場(chǎng)中，外部磁場(chǎng)已經(jīng)改變了數(shù)據(jù)保持指示器器件50的MRAM元件51、52中至少一個(gè)的自由層12中的磁化方向。或者，根據(jù)任何一個(gè)實(shí)施例(沒(méi)有在附圖中表示出來(lái))，對(duì)于相反極化的固定磁層，在數(shù)據(jù)保持指示器器件的兩個(gè)MRAM單元之間沒(méi)有電阻差表明為正常狀況，在數(shù)據(jù)保持指示器器件的兩個(gè)MRAM單元之間有顯著的電阻差表明該數(shù)據(jù)保持指示器器件、從而至少部分存儲(chǔ)器陣列已經(jīng)暴露在超過(guò)門(mén)限值的外部磁場(chǎng)中。
這樣，通過(guò)確定數(shù)據(jù)保持指示器器件50兩個(gè)磁性元件的極化方向，能夠檢測(cè)磁存儲(chǔ)器陣列是否已經(jīng)處在太強(qiáng)外部磁場(chǎng)的影響下，這種影響會(huì)導(dǎo)致磁存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持不能得到保證。
其中有至少一個(gè)本發(fā)明的數(shù)據(jù)保持指示器器件50的IC，在工作期間能夠定期檢查數(shù)據(jù)保持指示器器件50的磁性元件51、52的極化方向，例如電阻。檢測(cè)到數(shù)據(jù)保持指示器器件50兩個(gè)磁性元件51、52的自由層12的相同極化方向時(shí)，例如根據(jù)其結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)MRAM元件51、52的電阻差或相同電阻，并因此檢測(cè)到已經(jīng)暴露在超過(guò)門(mén)限值的外部磁場(chǎng)的時(shí)候，根據(jù)具體應(yīng)用的需要，該IC能夠刪除該陣列所有MRAM元件的數(shù)據(jù)，或者能夠重新設(shè)置自己或者阻止它的功能。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，將本發(fā)明的多個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件50在空間上分布于陣列的MRAM元件之間。
本發(fā)明提供一種數(shù)據(jù)保持指示器器件50來(lái)檢測(cè)是否暴露在超過(guò)門(mén)限值的外部磁場(chǎng)中，能夠容易地將這個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件50加入到嵌入式或獨(dú)立的MRAM陣列中。特別是在數(shù)據(jù)的完整性至關(guān)重要的應(yīng)用里，例如SoC中嵌入式MRAM里操作系統(tǒng)的程序代碼，采用本發(fā)明的數(shù)據(jù)保持指示器器件50可能是很重要的。而且，它提供對(duì)無(wú)意識(shí)地暴露在外部磁場(chǎng)情況的檢測(cè)，例如來(lái)自永久磁鐵或者智能卡上磁條的寫(xiě)入設(shè)備的磁場(chǎng)。本發(fā)明還能減少在MRAM IC中采用良好磁屏蔽的需要，因?yàn)楝F(xiàn)在能夠檢測(cè)無(wú)意識(shí)地暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)里的情況，在正常使用時(shí)無(wú)意識(shí)地暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)里是很少見(jiàn)的。
不能保證數(shù)據(jù)保持的所述門(mén)限磁場(chǎng)可以通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇數(shù)據(jù)保持指示器器件50的磁性元件51、52的幾何形狀來(lái)加以精細(xì)調(diào)整。在理想情況下，每一個(gè)磁性元件51、52的星形曲線主要是通過(guò)兩個(gè)參數(shù)設(shè)置的形狀各向異性，以及從固定層11到自由層12的總耦合場(chǎng)。
對(duì)于小的磁隧道結(jié)，如同現(xiàn)在典型地使用的那些，能量平衡中決定性的各向異性項(xiàng)是通過(guò)形狀設(shè)置的，這一形狀導(dǎo)致一個(gè)各向異性場(chǎng)Hk，代表星形曲線的大小。在理想情況下，星形曲線會(huì)到達(dá)場(chǎng)Hk的基準(zhǔn)易磁化軸和難磁化軸(圖3)。
實(shí)質(zhì)上，形狀各向異性與器件的最小尺寸w(寬度)成反比，與縱橫比AR成正比(AR＝l/w，l＝長(zhǎng)度)。磁性元件51、52的形狀本身也有一些影響，例如橢圓形或菱形元件。因?yàn)閷?duì)于任何形狀都能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因此在本說(shuō)明中不明確考慮形狀。計(jì)算任意形狀的各向異性場(chǎng)屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的技能范圍。
對(duì)于橢圓形，各向異性場(chǎng)Hk為Hk＝4π(t·M)(ηy-ηx)/w，其中(t·M)是自由層12的厚度t與飽和磁化強(qiáng)度M的乘積，(ηy-ηx)是縱橫比AR＝l/w的單調(diào)上升函數(shù)，當(dāng)l/w是1(圓形)時(shí)值為0，當(dāng)l/w是∞時(shí)值為1。
固定層11和自由層12之間的耦合場(chǎng)可能導(dǎo)致星形曲線31沿著易磁化軸EA移動(dòng)。理想情況下不存在這種移動(dòng)，所以‘0’和‘1’的切換場(chǎng)相對(duì)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)(圖4)。該耦合場(chǎng)是兩個(gè)不同分量的和Néel耦合與磁雜散場(chǎng)耦合。Néel耦合不依賴(lài)于幾何形狀，因此是固定的。但是磁雜散場(chǎng)耦合由幾何形狀確定，因?yàn)榇烹s散場(chǎng)耦合H～wα/l，其中α近似等于0.2。
為了用預(yù)置的門(mén)限磁場(chǎng)值設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)保持指示器器件50的第一和第二磁性元件51、52，可以使用下面描述的方法。例如，希望檢測(cè)施加給存儲(chǔ)器陣列的超過(guò)門(mén)限值的任何磁場(chǎng)，該門(mén)限值低于陣列中MAM元件平均切換場(chǎng)6σ。對(duì)于高斯分布，這意味著在這個(gè)限制下109個(gè)元件中只有1個(gè)會(huì)切換。根據(jù)有效切換場(chǎng)分布，能夠計(jì)算出這個(gè)場(chǎng)，并且將它用作數(shù)據(jù)保持指示器器件50的目標(biāo)門(mén)限場(chǎng)值。同樣對(duì)于數(shù)據(jù)保持指示器器件50，可以將切換門(mén)限中的統(tǒng)計(jì)分布考慮在內(nèi)。
可以通過(guò)映射星形曲線來(lái)找到幾何形狀的適當(dāng)選擇，這個(gè)幾何形狀主要由長(zhǎng)度1和寬度w給定，星形曲線主要由磁性元件51、52在要求的門(mén)限曲線上的形狀各向異性確定。與此同時(shí)，對(duì)于MRAM陣列中存儲(chǔ)器單元的給定磁隧道結(jié)疊層，試圖通過(guò)由雜散場(chǎng)耦合消除Néel耦合來(lái)遵從星形曲線的對(duì)稱(chēng)性。第一條準(zhǔn)則是最重要的。后面一個(gè)可以放松并可以導(dǎo)致數(shù)據(jù)保持指示器器件50的星形曲線略微不對(duì)稱(chēng)。只要這個(gè)不對(duì)稱(chēng)性小于其它容許極限(margin)，比如工藝參數(shù)引起的容許極限，這樣做就是允許的。
只是為了說(shuō)明的目的，給出下面的數(shù)字實(shí)例。在一個(gè)磁阻元件中，自由層12是厚度為5nm的NiFe層，固定層是人造反鐵磁性疊層(AAF)，包括IrMn/CoFe/Ru/CoFe，兩個(gè)CoFe層相應(yīng)的厚度是3nm和2.65nm。如同所表明的，CoFe層中的一個(gè)固定到一個(gè)IrMn的天然反鐵磁層上。將磁阻存儲(chǔ)器陣列中元件的大小選擇為200×100nm2。
用改進(jìn)的Stoner-Wohlfarth方法來(lái)描述具有N個(gè)磁層的所述磁性多層，其中每個(gè)層是由磁化角θi以及一些參數(shù)表示的，比如層厚度、飽和磁化、磁性晶體各向異性、大小和幾何形狀。相鄰鐵磁層之間的層間耦合可以用界面能Ji表示。系統(tǒng)總能量可以作為不同層的不同能量項(xiàng)之和計(jì)算出來(lái)，這些能量項(xiàng)有磁性晶體的各向異性EA、外部賽曼能量EH和去磁能量ES，再加上不同界面上的耦合能量。
ETot=Σi=1N(EA+EH+ES)+Σi=1N-1Ei]]>在靜態(tài)平衡計(jì)算中，在解決了N維優(yōu)化問(wèn)題后，能夠發(fā)現(xiàn)一組不同層的磁化方向?yàn)?局部)最小量。該平衡配置由所述組N個(gè)耦合方程給出∂Etot∂θi=0,i=1,······,N]]>穩(wěn)定條件是矩陣M的所有特征值都應(yīng)該是正的
Mij=∂2Etot∂θi∂θj]]>所述耦合的典型值如下IrMn-CoFe -0.25mJ/m2CoFe-CoFe -0.90mJ/m2CoFe-NiFe +0.01mJ/m2從計(jì)算中能夠找出理想情況的切換場(chǎng)，即對(duì)于σ＝0，或者因此在沒(méi)有任何工藝變化的情況下，可以將這個(gè)切換場(chǎng)標(biāo)記為將工藝變化考慮在內(nèi)的所謂‘平均’切換場(chǎng)。這個(gè)平均切換場(chǎng)在圖6中用曲線60表示。假設(shè)σ為某個(gè)值，能夠從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中導(dǎo)出這個(gè)值，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是用相同處理方法處理的多個(gè)存儲(chǔ)器元件的測(cè)量結(jié)果。在這個(gè)實(shí)例中，假設(shè)在星形曲線60中6σ準(zhǔn)則如曲線61所示，因?yàn)榭梢詮牟煌膸缀涡螤钌嫌?jì)算得到，該曲線對(duì)應(yīng)于280×150nm2的器件的預(yù)期曲線。于是如果幾何形狀變成更大的元件和稍小的縱橫比，就能夠看到會(huì)發(fā)生什么。考慮到工藝變化對(duì)數(shù)據(jù)保持指示器器件50本身可能的影響，可以選擇略微再放大一些，例如300×160nm2或者320×180nm2。要注意，縱橫比隨著檢測(cè)器件的尺寸而減小，以便保持這個(gè)檢測(cè)器件中的對(duì)稱(chēng)性。
能夠引起陣列的磁存儲(chǔ)器元件中保存的那些位之一翻轉(zhuǎn)的任何外部磁場(chǎng)，都會(huì)引起數(shù)據(jù)保持指示器器件50的至少一個(gè)預(yù)置磁檢測(cè)元件51、52中發(fā)生切換，只要這兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)都是這組元件51、52的一部分。此外這些元件51、52會(huì)記住這個(gè)信息，因?yàn)樗鼈兡軌虮３炙鼈兊拇鎯?chǔ)器狀態(tài)而不必施加任何外部電力。
應(yīng)該明白，盡管在這里針對(duì)本發(fā)明的器件描述了優(yōu)選實(shí)施例、具體結(jié)構(gòu)和配置以及材料，但是在不背離本發(fā)明的范圍和精神的基礎(chǔ)上，可以對(duì)形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種磁阻存儲(chǔ)器元件(10)陣列(20)，提供有至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件(50)，該器件(50)包括第一磁性元件(51)和第二磁性元件(52)，每個(gè)磁性元件都有預(yù)置的磁化方向，所述第一和第二磁性元件(51，52)的預(yù)置磁化方向互不相同，所述第一和第二磁性元件(51，52)適合于將它們的磁化方向?qū)?zhǔn)超過(guò)檢測(cè)門(mén)限值的外加磁場(chǎng)的磁力線，其中選擇所述至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件(50)的參數(shù)，從而設(shè)置要檢測(cè)的所述外加磁場(chǎng)的所述檢測(cè)門(mén)限值，該至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件(50)具有指示所述陣列(20)的磁阻存儲(chǔ)器元件(10)暴露在所述外加磁場(chǎng)中的狀態(tài)或輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的陣列(20)，其中所述參數(shù)包括所述第一和第二磁性元件(51，52)的形狀、大小和縱橫比中的任何一個(gè)或者它們的組合。
3.如權(quán)利要求1所述的陣列(20)，其中所述第一和第二磁性元件(51，52)包括多個(gè)MRAM單元。
4.如權(quán)利要求3所述的陣列(20)，所述多個(gè)MRAM單元具有自由磁層(12)，其中所述多個(gè)MRAM單元具有其自由磁層(12)的預(yù)置的相反磁化方向。
5.如權(quán)利要求1所述的陣列(20)，其中所述至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件(50)是在其數(shù)據(jù)保持必須得到指示的所述磁存儲(chǔ)器元件(10)附近構(gòu)建的。
6.如權(quán)利要求1所述的陣列(20)，包括多個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件(50)，在空間上分布于所述陣列(20)中的所述磁存儲(chǔ)器元件之間。
7.一種集成電路，包括如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器元件(10)陣列(20)。
8.如權(quán)利要求7所述的集成電路，還包括控制電路，在所述至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件(50)的任何一個(gè)給出所述陣列暴露在超過(guò)所述檢測(cè)門(mén)限值的外加磁場(chǎng)中的指示時(shí)，用于產(chǎn)生差錯(cuò)信號(hào)。
9.一種用于指示磁存儲(chǔ)器元件(10)陣列(20)的數(shù)據(jù)保持的方法，該方法包括當(dāng)所述陣列暴露給超過(guò)預(yù)置磁場(chǎng)門(mén)限電壓的外部磁場(chǎng)時(shí)，改變磁數(shù)據(jù)保持指示器器件的預(yù)置磁化方向。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁阻存儲(chǔ)器元件(10)陣列(20)，它配備了至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件(50)。該至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件(50)包括第一磁性元件(51)和第二磁性元件(52)，這兩個(gè)磁性元件中每個(gè)都有預(yù)置的磁化方向，所述第一和第二磁性元件(51，52)的預(yù)置磁化方向互不相同。所述第一和第二磁性元件(51，52)適合于將它們的磁化方向?qū)?zhǔn)超過(guò)檢測(cè)門(mén)限值的外加磁場(chǎng)的磁力線。根據(jù)本發(fā)明，選擇至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件(50)中的參數(shù)，從而設(shè)置要檢測(cè)的外加磁場(chǎng)的檢測(cè)門(mén)限值。該至少一個(gè)數(shù)據(jù)保持指示器器件(50)具有指示所述陣列(20)的磁阻存儲(chǔ)器元件(10)暴露在所述外加磁場(chǎng)中的狀態(tài)或輸出。
文檔編號(hào)G11C11/15GK1886804SQ200480034616
公開(kāi)日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2004年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月24日
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