專(zhuān)利名稱(chēng)：用于在磁阻存儲(chǔ)器件編程期間進(jìn)行有源場(chǎng)補(bǔ)償?shù)姆椒ê脱b置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在磁阻存儲(chǔ)器件如MRAM器件的編程期間對(duì)存在的外部磁場(chǎng)提供補(bǔ)償?shù)姆椒ê脱b置。
磁性或磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)目前被很多公司看作是閃速存儲(chǔ)器的繼承品。它有潛力來(lái)代替除最快的靜態(tài)RAM(SRAM)存儲(chǔ)器之外的所有RAM存儲(chǔ)器。這就使得MRAM非常適合于作為片上系統(tǒng)(SoC)的嵌入式存儲(chǔ)器。它是一種非易失性存儲(chǔ)器(NVM)器件，這意味著不需要能量來(lái)維持被存儲(chǔ)的信息。這被看作是優(yōu)于其他絕大多數(shù)類(lèi)型的存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)。MRAM存儲(chǔ)器可以特別用于“移動(dòng)”應(yīng)用，例如智能卡、移動(dòng)電話(huà)、PDA等。
MRAM概念最早是由美國(guó)Honeywell公司發(fā)展起來(lái)的，它使用磁性多層器件中的磁化方向作為信息存儲(chǔ)，而得到的電阻差用于信息讀取。至于所有存儲(chǔ)器件，MRAM陣列中的每個(gè)存儲(chǔ)元件必須能存儲(chǔ)表示“1”或“0”的至少兩個(gè)二元狀態(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)目前是最重要的。GMR效應(yīng)和TMR效應(yīng)提供實(shí)現(xiàn)只添加(a.o.)非易失性磁性存儲(chǔ)器的可能性。這些器件包括薄膜疊層，其中至少兩層薄膜是鐵磁體或亞鐵磁體，并且由非磁性中間層分開(kāi)。GMR是用于具有導(dǎo)體中間層的結(jié)構(gòu)的磁阻，TMR是用于具有電介質(zhì)中間層的結(jié)構(gòu)的磁阻。如果將非常薄的導(dǎo)體設(shè)置在兩個(gè)鐵磁體或亞鐵磁體膜之間，則當(dāng)這些膜的磁化方向平行時(shí)，復(fù)合多層結(jié)構(gòu)的有效平面(in-plane)電阻最小，當(dāng)這些膜的磁化方向反平行時(shí)，有效平面電阻最大。如果將薄電介質(zhì)中間層設(shè)置在兩個(gè)鐵磁體或亞鐵磁體膜之間，則當(dāng)這些膜的磁化方向平行時(shí)觀察到它們之間的隧穿電流最大的(或因此電阻最小)，并且當(dāng)這些膜的磁化方向反平行時(shí)它們之間的隧穿電流最小(或因此電阻最大)。
磁阻通常是作為上述結(jié)構(gòu)從平行磁化狀態(tài)變?yōu)榉雌叫写呕癄顟B(tài)時(shí)的電阻增加的百分比來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。TMR器件提供比GMR結(jié)構(gòu)更高的百分比磁阻，因此具有用于更高信號(hào)和更高速度的潛力。與良好的GMR存儲(chǔ)元件中的10-14％的磁阻相比，近來(lái)的結(jié)果表明隧穿提供40％以上的磁阻。
典型的MRAM器件包括多個(gè)磁阻存儲(chǔ)元件10，其中一個(gè)顯示在

圖1A和1B中，例如設(shè)置成陣列的磁性隧道結(jié)(MTJ)元件。磁阻存儲(chǔ)元件10的陣列20顯示在圖2中。MTJ存儲(chǔ)元件10一般包括多層結(jié)構(gòu)，其包括固定或釘住的(pinned)硬磁性層11、自由層12、和在其間的電介質(zhì)阻擋層13。磁性材料的固定層11具有總是指向相同方向的磁性矢量。自由層12用于信息存儲(chǔ)。自由層12的磁性矢量是自由的，但是被限制在自由層12的易軸內(nèi)，其主要由存儲(chǔ)元件10的物理尺寸決定。自由層12的磁性矢量指向兩個(gè)方向中的一個(gè)方向與固定層11的磁化方向平行或反平行，所述固定層11的磁化方向與所述易軸一致。MRAM的基本原理是根據(jù)磁化方向?qū)⑿畔⒋鎯?chǔ)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，例如“0”或“1”。這就是磁性數(shù)據(jù)是非易失性的，并且直到它受到磁場(chǎng)影響才會(huì)改變的原因。
通過(guò)施加磁場(chǎng)并由此將自由層12中的磁性材料磁化為兩個(gè)可能存儲(chǔ)狀態(tài)中的一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或?qū)懙酱抛璐鎯?chǔ)元件10中。當(dāng)將MRAM元件10的多層結(jié)構(gòu)的磁性膜11、12都磁化成相同的取向(平行)時(shí)，數(shù)據(jù)是兩個(gè)二進(jìn)制值中的一個(gè)，例如“0”，否則，如果將MRAM元件10的多層結(jié)構(gòu)的磁性膜11、12都磁化成相反的取向(反平行)，則數(shù)據(jù)是另一個(gè)二進(jìn)制值，例如“1”。通過(guò)使電流穿過(guò)在磁性結(jié)構(gòu)外部的電流線(xiàn)(字線(xiàn)14、14a、14b、14c和位線(xiàn)15、15a、15b和15c)來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。應(yīng)該指出的是，兩個(gè)磁場(chǎng)分量用于在被選擇的存儲(chǔ)元件10s和其他未被選擇的存儲(chǔ)元件10之間進(jìn)行區(qū)分。
讀取數(shù)據(jù)是通過(guò)在施加磁場(chǎng)時(shí)檢測(cè)磁性存儲(chǔ)元件10中的電阻變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用以下事實(shí)多層結(jié)構(gòu)11、12、13的電阻根據(jù)取向是否是平行而變化，該系統(tǒng)可以區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的兩個(gè)二進(jìn)制值，例如“0”或“1”。通過(guò)使電流穿過(guò)磁性結(jié)構(gòu)外部的電流線(xiàn)(字線(xiàn))，或者穿過(guò)磁性結(jié)構(gòu)本身(經(jīng)過(guò)位線(xiàn)15和檢測(cè)線(xiàn)16)來(lái)產(chǎn)生讀取所需的磁場(chǎng)。通過(guò)連接到通路21的串聯(lián)晶體管17來(lái)進(jìn)行被選存儲(chǔ)元件10的讀取，以避免流過(guò)其他存儲(chǔ)元件10的寄生電流。
最普通的MRAM設(shè)計(jì)是1T1MTJ(每1個(gè)MTJ存儲(chǔ)元件10有1個(gè)晶體管17)類(lèi)型，如圖1A和1B所示。包括多個(gè)存儲(chǔ)元件10的存儲(chǔ)陣列20包括垂直的位線(xiàn)15a、15b、15c和字線(xiàn)14a、14b、14c，它們分開(kāi)構(gòu)圖成分別位于磁性隧道結(jié)(MTJ)存儲(chǔ)元件10的下方和上方的兩個(gè)金屬層。位線(xiàn)15a、15b、15c與存儲(chǔ)元件10的難軸平行，這在易軸上產(chǎn)生場(chǎng)，而字線(xiàn)14a、14b、14c另外在難軸上產(chǎn)生場(chǎng)。在有些設(shè)計(jì)中，這些關(guān)系可以是相反的，即，位線(xiàn)15可以產(chǎn)生難軸場(chǎng)，而字線(xiàn)14可以產(chǎn)生易軸場(chǎng)。通過(guò)經(jīng)在被選存儲(chǔ)元件10處相交的相應(yīng)位線(xiàn)15b和字線(xiàn)14a同時(shí)施加電流脈沖來(lái)對(duì)被選存儲(chǔ)元件10s進(jìn)行寫(xiě)入。最終的場(chǎng)的方向與存儲(chǔ)元件10s的自由層12的易軸成45°的角。以這個(gè)角度，自由層12的切換場(chǎng)是最小的，因此可以利用最小的電流進(jìn)行寫(xiě)入。
MRAM元件的切換曲線(xiàn)可以用如圖3所示的所謂星形曲線(xiàn)30、31來(lái)表示。星形曲線(xiàn)30、31對(duì)于不同的時(shí)間段明確分開(kāi)切換和非切換事件。在MRAM陣列中，存儲(chǔ)元件之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)變化，例如尺寸變化，將導(dǎo)致磁性切換場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)變化，因此導(dǎo)致星形曲線(xiàn)的精確尺寸的變化。星形曲線(xiàn)30是示出未被選擇的存儲(chǔ)元件10的10年穩(wěn)定性的曲線(xiàn)，而星形曲線(xiàn)31是示出被選擇的存儲(chǔ)元件10s的10ns脈沖寫(xiě)操作的所需磁場(chǎng)的曲線(xiàn)。也就是說(shuō)，如果將磁場(chǎng)施加在星形曲線(xiàn)30、31內(nèi)，則元件將不被切換并且保持它們的狀態(tài)分別為10年、10ns，而如果前一狀態(tài)是相反的則超過(guò)這些星形曲線(xiàn)的場(chǎng)可能在相應(yīng)的時(shí)間幀期間切換元件。因此，只有當(dāng)存在兩個(gè)磁場(chǎng)分量時(shí)，才可以在不改變未被選擇的存儲(chǔ)元件10的情況下切換被選存儲(chǔ)元件10s的位狀態(tài)。
如果由電流線(xiàn)14、15產(chǎn)生的磁場(chǎng)的大小相同，則最終的磁場(chǎng)的方向相對(duì)于被選存儲(chǔ)元件10s的自由層12的易軸成45°的角。以這個(gè)角度，自由層12的切換場(chǎng)最小，如圖3中的星形曲線(xiàn)30、31所示，因此可以利用最小的電流進(jìn)行寫(xiě)入。
一方面，被選位線(xiàn)15b和字線(xiàn)14a中的電流必須以如下方式進(jìn)行選擇在與易軸形成45°時(shí)總的磁場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被選存儲(chǔ)元件10s的切換場(chǎng)，或者換言之，使得最終的場(chǎng)矢量32的末端處在這個(gè)方向上的星形曲線(xiàn)31上或其外部(參見(jiàn)圖3)。另一方面，由被選位線(xiàn)15b產(chǎn)生的場(chǎng)的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于位于相同位線(xiàn)15b上的任何存儲(chǔ)元件10的易軸方向EA上的切換場(chǎng)，以防止不希望的過(guò)寫(xiě)。而且，由被選字線(xiàn)14a產(chǎn)生的場(chǎng)的大小必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于位于相同字線(xiàn)14a上的任何存儲(chǔ)元件10的難軸方向HA上的切換場(chǎng)，以防止不希望的過(guò)寫(xiě)。也就是說(shuō)，為了被選線(xiàn)之一上的其他元件的穩(wěn)定性，兩個(gè)分量必須位于星形曲線(xiàn)30內(nèi)。
圖3還示出了穩(wěn)定的片上寫(xiě)場(chǎng)窗口(write field window)33，未考慮存儲(chǔ)元件之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)變化，即，如果通過(guò)經(jīng)被選位線(xiàn)施加第一電流和經(jīng)被選字線(xiàn)施加第二電流而獲得的最終磁場(chǎng)矢量落入這種片上寫(xiě)場(chǎng)窗口33內(nèi)，則如果前一狀態(tài)是相反的狀態(tài)，將切換被選存儲(chǔ)元件10s的磁性狀態(tài)，但是沿著被選字線(xiàn)或位線(xiàn)之一設(shè)置的未被選擇的存儲(chǔ)元件10不會(huì)切換狀態(tài)。
MRAM元件的缺點(diǎn)是有意或無(wú)意暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)下將使它們受到損害。密度非常高的MRAM陣列20對(duì)磁場(chǎng)特別敏感，主要是因?yàn)闃O小的MRAM元件10需要相對(duì)較低的磁場(chǎng)用于讀/寫(xiě)操作，其取決于自由層12中的磁性矢量的切換或檢測(cè)。這些磁性矢量反過(guò)來(lái)容易受到這種外部磁場(chǎng)的影響，并且它們的磁性取向可能被這種外部磁場(chǎng)所改變。
如果在寫(xiě)操作期間存在額外的外部磁場(chǎng)，則應(yīng)該調(diào)整寫(xiě)場(chǎng)窗口。作為簡(jiǎn)單的例子如果存在沿易軸場(chǎng)分量只有10Oe的小的外部場(chǎng)，則應(yīng)該以如下方式減少/增加電流對(duì)于被選存儲(chǔ)元件10s，在用于寫(xiě)“0”或“1”的適當(dāng)電流線(xiàn)中產(chǎn)生較小/較大的場(chǎng)。在圖3中，‘零外部磁場(chǎng)基準(zhǔn)(reference)’(在本例中，沿著易軸)相對(duì)于原點(diǎn)應(yīng)該位移10Oe。在更一般的情況下，任何平面外部場(chǎng)導(dǎo)致星形曲線(xiàn)相對(duì)于原點(diǎn)的移動(dòng)，因?yàn)樗c2-D場(chǎng)矢量的矢量和。
一種方案是對(duì)存儲(chǔ)元件進(jìn)行屏蔽保護(hù)使其不受任何外部場(chǎng)的影響。然而，屏蔽也有其限制，總是可以施加較高磁場(chǎng)，在數(shù)據(jù)層附近引起外部磁場(chǎng)。
因此本發(fā)明的目的是提供一種方法和裝置，其中可以減小在對(duì)磁阻元件進(jìn)行寫(xiě)或編程期間的外部磁場(chǎng)的屏蔽水平。
通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的。
在一個(gè)方案中，本發(fā)明提供一種磁阻存儲(chǔ)元件陣列。該陣列包括用于施加電流或電壓的裝置，所述電流或電壓用于在被選磁阻存儲(chǔ)元件處產(chǎn)生編程磁場(chǎng)，用于測(cè)量被選磁阻存儲(chǔ)元件附近的外部磁場(chǎng)的磁場(chǎng)傳感器單元，以及用于調(diào)整電流或電壓以在編程操作期間局部地補(bǔ)償所測(cè)量到的外部磁場(chǎng)的裝置。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)調(diào)整用于局部地補(bǔ)償所測(cè)量到的外部磁場(chǎng)的電流或電壓，對(duì)于某些磁阻應(yīng)用，可以降低屏蔽水平。
磁場(chǎng)傳感器單元優(yōu)選為模擬傳感器單元。該模擬磁場(chǎng)傳感器單元可以是結(jié)構(gòu)與磁阻存儲(chǔ)元件相同的元件。這就很容易在磁阻元件陣列中實(shí)現(xiàn)，由此獲得單片集成。于是不需要單獨(dú)的掩模來(lái)制造磁場(chǎng)傳感器單元。
該磁場(chǎng)傳感器單元可以包括一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器?？梢园ù罅看艌?chǎng)傳感器，作為例子，第一傳感器用于測(cè)量外部磁場(chǎng)的x分量，而第二傳感器用于測(cè)量其y分量。
用于施加電流或電壓的裝置可以包括至少一條電流線(xiàn)和用于使電流流過(guò)該至少一條電流線(xiàn)的裝置。
磁場(chǎng)傳感器單元可以適合于產(chǎn)生表示測(cè)量到的外部磁場(chǎng)的輸出信號(hào)。
用于調(diào)整電流或電壓的裝置可以包括用于強(qiáng)制補(bǔ)償電流流過(guò)所述至少一條電流線(xiàn)的補(bǔ)償電路。所述至少一條電流線(xiàn)可以包括具有垂直的兩組電流線(xiàn)的結(jié)構(gòu)，所述兩組電流線(xiàn)用于傳輸施加典型寫(xiě)場(chǎng)所需的寫(xiě)電流以及補(bǔ)償電流?；蛘?，可以為補(bǔ)償電流中的至少一個(gè)添加一個(gè)或兩個(gè)方向上的額外電流線(xiàn)，從而使這些補(bǔ)償電流不流過(guò)用于產(chǎn)生存儲(chǔ)元件的磁性寫(xiě)場(chǎng)的電流線(xiàn)。這可能不是理想的情況，并且只有當(dāng)例如由于電遷移而使電流線(xiàn)中的電流受到限制時(shí)才是相關(guān)的。
補(bǔ)償電路還可以在磁場(chǎng)傳感器單元處施加補(bǔ)償磁場(chǎng)。如果傳感器相對(duì)于電流線(xiàn)的幾何形狀類(lèi)似于存儲(chǔ)元件的幾何形狀，則可以以相同的方式將施加在磁場(chǎng)傳感器單元處的補(bǔ)償磁場(chǎng)施加到存儲(chǔ)元件。例如，如果通過(guò)使電流流過(guò)電流線(xiàn)來(lái)施加補(bǔ)償磁場(chǎng)，則可以將饋送給電流線(xiàn)以便產(chǎn)生影響傳感器的磁場(chǎng)的電流饋送給陣列的電流線(xiàn)以便在該陣列中產(chǎn)生補(bǔ)償磁場(chǎng)。
與磁阻存儲(chǔ)元件相比，磁場(chǎng)傳感器單元可能對(duì)磁場(chǎng)更敏感。
在第二方案中，本發(fā)明提供一種用于在磁性存儲(chǔ)元件編程期間補(bǔ)償外部磁場(chǎng)存在的方法，通過(guò)向磁性存儲(chǔ)元件施加用于產(chǎn)生編程磁場(chǎng)的電流或電壓來(lái)進(jìn)行編程。該方法包括測(cè)量磁性存儲(chǔ)元件附近的外部磁場(chǎng)，并且通過(guò)調(diào)整用于產(chǎn)生編程磁場(chǎng)的電流或電壓，在編程操作期間，局部地補(bǔ)償外部磁場(chǎng)。
施加電流或電壓可以包括使電流流過(guò)至少一條電流線(xiàn)。調(diào)整電流或電壓可以包括使電流流過(guò)至少一條電流線(xiàn)，該電流不同于當(dāng)不存在外部磁場(chǎng)以便產(chǎn)生相同的編程磁場(chǎng)時(shí)流過(guò)所述至少一條電流線(xiàn)的電流。
通過(guò)下面結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的這些和其他特性、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)，其中附圖通過(guò)舉例示出了本發(fā)明的原理。本說(shuō)明書(shū)只是舉例而已，并不限制本發(fā)明的范圍。下面引用的參考圖是指附圖。
圖1A示出MRAM寫(xiě)原理，而圖1B示出MRAM讀原理。
圖2是公知的1T1MTJ MRAM設(shè)計(jì)的透視圖，其包括多個(gè)存儲(chǔ)元件以及垂直的位線(xiàn)和字線(xiàn)。磁性隧道結(jié)(MTJ)位于位線(xiàn)和字線(xiàn)的相交區(qū)域中。MTJ的底部電極利用通路連接到選擇晶體管，在讀取存儲(chǔ)元件時(shí)使用該選擇晶體管。
圖3示出星形曲線(xiàn)，其表示用于在MRAM中進(jìn)行耐用寫(xiě)操作從而導(dǎo)致穩(wěn)定的寫(xiě)場(chǎng)窗口的標(biāo)準(zhǔn)。
圖4示出由于外部場(chǎng)H所引起的星形曲線(xiàn)和寫(xiě)場(chǎng)窗口(三角形)的移動(dòng)。
圖5示意性地示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于電流調(diào)整的系統(tǒng)。在補(bǔ)償場(chǎng)電路中使用來(lái)自磁場(chǎng)傳感器的輸入，該補(bǔ)償場(chǎng)電路實(shí)際上可以是產(chǎn)生補(bǔ)償電流曲線(xiàn)的零場(chǎng)反饋系統(tǒng)。
圖6A和6B示出可以被補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)的示意圖。
在不同的附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的元件。
下面將參照某些附圖和針對(duì)具體實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，但是本發(fā)明不限于此，本發(fā)明的范圍只由權(quán)利要求來(lái)限定。所述的附圖只是示意性的而非限制性的。在附圖中，為了直觀的目的，一些元件的尺寸可能被放大而不是按比例繪制的。在本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包括”，但并不排除其他元件或步驟。在單數(shù)名詞前使用不定冠詞或定冠詞，例如“一個(gè)”或“該”，這包括該名詞的復(fù)數(shù)形式，除非有特別說(shuō)明。
此外，說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中的術(shù)語(yǔ)第一、第二等用于區(qū)分相同元件，并不是必須用來(lái)描述次序或順序。還應(yīng)該理解的是，如此使用的術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)?shù)那闆r下可以互換，并且這里所述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠以這里所述或所示以外的其他次序進(jìn)行操作。
而且，說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中的術(shù)語(yǔ)頂部、底部、之上、之下等用于說(shuō)明目的，并不是必須用來(lái)描述相關(guān)位置。應(yīng)該理解的是如此使用的術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)情況下可以互換，并且這里所述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠在這里所述或所示以外的其他方向上進(jìn)行操作。
本發(fā)明提供一種在對(duì)磁性存儲(chǔ)陣列20中的被選磁阻存儲(chǔ)元件10s進(jìn)行寫(xiě)操作期間的局部有源場(chǎng)補(bǔ)償。根據(jù)本發(fā)明，將磁場(chǎng)傳感器50或傳感器單元加到MRAM陣列20，并且其輸出51用于在寫(xiě)操作期間調(diào)整電流值，以便能補(bǔ)償潛在的外部磁場(chǎng)。這種方式，在寫(xiě)操作期間使用的電流值跟隨由于外部磁場(chǎng)而移動(dòng)的穩(wěn)定寫(xiě)場(chǎng)區(qū)域。
圖4示出外部磁場(chǎng)對(duì)典型磁性存儲(chǔ)元件10的星形切換曲線(xiàn)30、31的影響。如果不存在外部磁場(chǎng)，則星形曲線(xiàn)30、31是用于存儲(chǔ)元件10的星形曲線(xiàn)。在磁場(chǎng)H的影響下，在本例中，假設(shè)與易軸成45度，星形曲線(xiàn)30、31在與外部磁場(chǎng)H的方向相反的方向上朝向星形曲線(xiàn)40、41移動(dòng)。而且穩(wěn)定的片上寫(xiě)場(chǎng)窗口33在相同方向上朝向穩(wěn)定的片上寫(xiě)場(chǎng)窗口42移動(dòng)。這里以及稍后在說(shuō)明書(shū)與權(quán)利要求書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“片上寫(xiě)場(chǎng)窗口”來(lái)區(qū)分外部施加的磁場(chǎng)和在寫(xiě)操作期間在芯片上產(chǎn)生的磁場(chǎng)。該術(shù)語(yǔ)用來(lái)指出其處理由例如流過(guò)字線(xiàn)和位線(xiàn)的片上電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。應(yīng)該指出的是，在所示的所有星形曲線(xiàn)上，軸表示沿著易軸EA和難軸HA的片上寫(xiě)場(chǎng)，或者產(chǎn)生EA和HA場(chǎng)的電流。這不同于存在的總磁場(chǎng)，所述總磁場(chǎng)是外部施加的磁場(chǎng)和片上產(chǎn)生的磁場(chǎng)的總和。
根據(jù)本發(fā)明的方案，提供磁場(chǎng)傳感器50來(lái)測(cè)量存儲(chǔ)陣列20的鄰域中的磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)優(yōu)選是與存儲(chǔ)陣列相鄰或接近的磁場(chǎng)局部。應(yīng)該注意的是，對(duì)于有源場(chǎng)補(bǔ)償來(lái)說(shuō)，模擬傳感器是優(yōu)選的。可以用各種方式直接或間接地測(cè)量存儲(chǔ)陣列20附近的磁場(chǎng)。
磁場(chǎng)傳感器50可以是可以加到包括磁阻存儲(chǔ)元件10的電路，例如加到MRAM IC的任何類(lèi)型的磁性傳感器。優(yōu)選地，將磁場(chǎng)傳感器50集成到磁阻存儲(chǔ)陣列20中。磁場(chǎng)傳感器50例如可以是Hall傳感器，它是檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度并產(chǎn)生隨著該強(qiáng)度而變化的電壓的固態(tài)半導(dǎo)體傳感器。
然而，在包括MRAM元件10的磁阻存儲(chǔ)陣列20的情況下，使用具有與陣列20中的MRAM元件10相同的疊置組成的磁性隧道結(jié)作為磁場(chǎng)傳感器50是有利的。此外，MRAM元件10本身或不用作存儲(chǔ)元件的附加MRAM元件可以用作磁場(chǎng)傳感器50，以監(jiān)測(cè)局部外部干擾場(chǎng)。
由于MRAM元件的雙穩(wěn)態(tài)磁化結(jié)構(gòu)，它們對(duì)于小場(chǎng)不是特別敏感。它們一明顯受到場(chǎng)的影響，就存在含有數(shù)據(jù)的MRAM元件已經(jīng)被干擾場(chǎng)影響的風(fēng)險(xiǎn)。因此，希望使用與存儲(chǔ)陣列20的MRAM元件10本身相比對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度更敏感的磁場(chǎng)傳感器50。優(yōu)選地，該傳感器包括與在MRAM元件中使用的材料疊層相同的材料疊層。調(diào)整傳感器使其對(duì)磁場(chǎng)更敏感，這可以通過(guò)例如使用不同形狀的磁場(chǎng)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，較低的縱橫比意味著該器件更靈敏，或者使用不同取向的較大尺寸也意味著它更靈敏。在本發(fā)明的實(shí)施例中，將用作傳感器的一個(gè)或多個(gè)MRAM元件相對(duì)于存儲(chǔ)陣列20中的正常MRAM元件10旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，例如90度，而通常通過(guò)交換偏置確定的固定層11的磁化方向是相同的。在這種所謂的交叉各向異性幾何形狀中，形狀的各向異性導(dǎo)致自由層12的方向?qū)⑴c固定層11的方向成90度角，這是磁性隧道結(jié)的工作曲線(xiàn)上的最靈敏點(diǎn)。
可以想出將傳感器與MRAM芯片集成在一起的不同類(lèi)型，并且下面將在一定程度上進(jìn)行說(shuō)明(1)如上所述，第一種方法是將傳感器集成在MRAM芯片上-單片集成。因此，該傳感器將非常接近存儲(chǔ)陣列改變，并且可能以某種方式被包含在存儲(chǔ)陣列本身中。該傳感器還可以位于芯片的角部。
(2)第二種方法是所謂的混合方式。傳感器不再位于MRAM芯片本身上，或者更好地是一塊基板，例如硅，在其上設(shè)置MRAM，例如較大系統(tǒng)或SoC(片上系統(tǒng))內(nèi)的嵌入式MRAM(e-MRAM)，。由于執(zhí)行不同功能的高成本，特別是在傳感器區(qū)域中，所以存在向“水平”集成或系統(tǒng)級(jí)封裝發(fā)展的趨勢(shì)，其中不同的管芯組合到單一封裝中。這里有人建議將兩個(gè)芯片組合在一個(gè)封裝中，即包括MRAM器件的第一芯片和其上設(shè)置磁性傳感器的第二芯片。
(3)最后一種方法是兩種簡(jiǎn)單地使用也分開(kāi)封裝的兩種不同芯片。這樣做的一種原因是MRAM芯片需要高水平的屏蔽，這是傳感器所不需要的。于是需要MRAM芯片上的一個(gè)或多個(gè)額外的管腳來(lái)送入傳感器信號(hào)。
在所有上述集成類(lèi)型中，磁場(chǎng)傳感器輸出51用作代表局部、外部磁場(chǎng)的直接信號(hào)。對(duì)于可靠的寫(xiě)操作，在寫(xiě)操作期間將局部地補(bǔ)償外部磁場(chǎng)。例如，可以當(dāng)存在外部磁場(chǎng)時(shí)調(diào)整在寫(xiě)操作期間使用的電流。
本發(fā)明提供一種補(bǔ)償場(chǎng)電路52，其根據(jù)磁場(chǎng)傳感器輸出51，特別是模擬傳感器輸出來(lái)調(diào)整電流。應(yīng)該注意的是，磁場(chǎng)傳感器50或傳感器單元優(yōu)選提供MRAM陣列20附近的磁場(chǎng)的2D表示。磁場(chǎng)傳感器50與陣列之間的距離使得能夠測(cè)量存在于MRAM陣列中的場(chǎng)。由于主要是涉及遠(yuǎn)磁場(chǎng)，所以長(zhǎng)度范圍適中。如上所述，根據(jù)集成水平，可以使用不同距離。在片上實(shí)現(xiàn)方式中，磁場(chǎng)傳感器50優(yōu)選盡可能靠近MRAM陣列，或者當(dāng)不被屏蔽時(shí)，可以達(dá)到1cm的距離。對(duì)于單一封裝中的混合實(shí)施方式，距離將在1cm的數(shù)量級(jí)上，并且對(duì)于不同封裝，應(yīng)該使傳感器和MRAM緊靠在一起，例如彼此相鄰，或者將傳感器設(shè)置在MRAM芯片的頂部。
2D表示優(yōu)選是定量的。僅僅作為例子，針對(duì)沿著45度方向施加的負(fù)外部磁場(chǎng)，在圖4中示出了外部磁場(chǎng)對(duì)星形曲線(xiàn)的影響以及所需的寫(xiě)場(chǎng)窗口。事實(shí)上，必須將其他電流施加到字線(xiàn)14和位線(xiàn)15，以便操縱數(shù)據(jù)位。如此調(diào)整電流值，使得寫(xiě)操作所需的片上寫(xiě)場(chǎng)窗口42與所測(cè)量到的外部場(chǎng)一起移動(dòng)，如圖4所示。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，磁場(chǎng)傳感器輸出51直接用作補(bǔ)償場(chǎng)電路52的輸出，所述補(bǔ)償場(chǎng)電路52用來(lái)產(chǎn)生用于位和字場(chǎng)，即易軸場(chǎng)和難軸場(chǎng)的補(bǔ)償電流(Icomp_b和Icomp_w)，如圖5所示。產(chǎn)生所示的兩個(gè)電流。補(bǔ)償場(chǎng)電路52讀出磁場(chǎng)傳感器單元的輸出51(模擬-電壓或電流)，所述磁場(chǎng)傳感器單元可以包括一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器50。作為例子，兩個(gè)傳感器或傳感器橋可以用于分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)場(chǎng)分量。然后通過(guò)補(bǔ)償場(chǎng)電路52將磁場(chǎng)傳感器輸出51轉(zhuǎn)化為所需的補(bǔ)償電流。補(bǔ)償場(chǎng)電路52包括模擬放大電路，要么是電壓-電流轉(zhuǎn)換器，要么是電流-電流轉(zhuǎn)換器。還可以將補(bǔ)償場(chǎng)電路52做成能夠補(bǔ)償溫度變化，該溫度變化可能影響磁場(chǎng)傳感器50的輸出，但是也可能影響寫(xiě)操作期間需要的所需電流。因此，可以包括用于溫度補(bǔ)償?shù)碾p重算法(two-fold algorithm)，其組合對(duì)(1)磁性存儲(chǔ)元件的切換和對(duì)(2)傳感器輸出的溫度影響。在測(cè)試MRAM芯片期間，必須與磁場(chǎng)傳感器50一起校正補(bǔ)償場(chǎng)電路52。
電流源Icomp_b和Icomp_w可以是雙極性的，并且理想地能針對(duì)任何外部場(chǎng)或針對(duì)可能外部場(chǎng)的范圍進(jìn)行校正。有效場(chǎng)范圍將取決于特定的MRAM設(shè)計(jì)、以及其元件的幾何形狀和尺寸。下面將給出例子。
然而，應(yīng)該指出的是，對(duì)于存在的某些外部磁場(chǎng)，寫(xiě)入所需的電流可能在某些情況下幾乎加倍，這可能牽涉存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中可能的最高電流值，例如關(guān)于電遷移限制。而且，補(bǔ)償超過(guò)最高值的場(chǎng)在理論上對(duì)于被選存儲(chǔ)元件10s是可能的，但是因?yàn)椴荒茉俦ＷC其他存儲(chǔ)元件的保持，所以是不現(xiàn)實(shí)的。對(duì)于太小的場(chǎng)，可以決定不進(jìn)行任何電流調(diào)整，因?yàn)橥獠繄?chǎng)落入寫(xiě)場(chǎng)裕度內(nèi)。對(duì)于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的MRAM，幾個(gè)Oe，例如3到5Oe的場(chǎng)不會(huì)損害MRAM寫(xiě)操作，因此不必補(bǔ)償。
下面，一個(gè)例子包括沒(méi)進(jìn)行補(bǔ)償和進(jìn)行補(bǔ)償?shù)乃袌?chǎng)。必須區(qū)分三種存儲(chǔ)元件(1)被選存儲(chǔ)元件10s，寫(xiě)操作應(yīng)該對(duì)該被選存儲(chǔ)元件10s有其所希望的效果(＝切換)，(2)共享被選存儲(chǔ)元件10s的一條電流線(xiàn)并且暴露在半選擇下的未被選擇的存儲(chǔ)元件10，以及(3)其他未被選擇的存儲(chǔ)元件10。
對(duì)于數(shù)據(jù)保持和可靠寫(xiě)入的不同要求如下被選存儲(chǔ)元件10s必須在10ns內(nèi)被切換，并且未被選擇的存儲(chǔ)元件即使在暴露于半選擇時(shí)也必須具有10年的穩(wěn)定性。而且，未被選擇的存儲(chǔ)元件同樣必須具有10年的數(shù)據(jù)保持(在不存在半選擇場(chǎng)的情況下)。
當(dāng)不進(jìn)行磁場(chǎng)補(bǔ)償時(shí)，不同的存儲(chǔ)元件10將檢測(cè)下列場(chǎng)。應(yīng)該注意的是，寫(xiě)場(chǎng)用標(biāo)記HW(HWx，HWy)表示，外部干擾場(chǎng)用ΔH(ΔHx，ΔHy)表示。被選存儲(chǔ)元件10s暴露于總場(chǎng)(HWx+ΔHx，HWy+ΔHy)，共享被選存儲(chǔ)元件10s的一條電流線(xiàn)的未被選擇的存儲(chǔ)元件10暴露于(HWx+ΔHx，ΔHy)或(ΔHx，HWy+ΔHy)，并且其他未被選擇的存儲(chǔ)元件10暴露于(ΔHx，ΔHy)。也就是說(shuō)，只要外部干擾場(chǎng)足夠小，例如在任何方向上小于5Oe，對(duì)被選存儲(chǔ)元件10s進(jìn)行的寫(xiě)操作就將保持成功(仍然在圖3和圖4中的寫(xiě)場(chǎng)窗口33內(nèi))。共享被選存儲(chǔ)元件10s的一條電流線(xiàn)的未被選擇的存儲(chǔ)元件10的穩(wěn)定性將較小，但是當(dāng)場(chǎng)不是不斷地存在時(shí)，穩(wěn)定性將很可能足以保證數(shù)據(jù)保持。如果在某一應(yīng)用中外部場(chǎng)ΔH連續(xù)存在，例如由于接近傳輸實(shí)質(zhì)上的dc電流的布線(xiàn)，則可以以寫(xiě)電流的初始校準(zhǔn)(作為時(shí)間函數(shù)的“恒定”補(bǔ)償電流)的形式或者通過(guò)存儲(chǔ)元件本身的再設(shè)計(jì)來(lái)采取不同措施，以補(bǔ)償由外部場(chǎng)造成的不對(duì)稱(chēng)。其他未被選擇的存儲(chǔ)元件10的數(shù)據(jù)保持不是問(wèn)題，這是因?yàn)閷?duì)于更高的場(chǎng)也能保證穩(wěn)定性(圖3中的內(nèi)部星形曲線(xiàn)30)。
當(dāng)進(jìn)行外部磁場(chǎng)ΔH的補(bǔ)償時(shí)，根據(jù)本發(fā)明，則調(diào)整電流線(xiàn)中的電流，使得被選存儲(chǔ)元件10s暴露于HW(HWx，HWy)，因此補(bǔ)償電流Icomp_b和Icomp_w在被選存儲(chǔ)元件10s的位置上產(chǎn)生磁場(chǎng)HC(HCx，HCy)，其等于-ΔH。被選存儲(chǔ)元件10s所暴露在其下的場(chǎng)的總矢量和為(HWx+ΔHx+HCx，HWy+ΔHy+HCy)。因而，與被選存儲(chǔ)元件10s共享電流線(xiàn)的未被選擇的存儲(chǔ)元件10暴露于(HWx+ΔHx+HCx，ΔHy)＝(HWx，ΔHy)，或(ΔHx，HWy+ΔHy+HCy)＝(ΔHx，HWy)，并且其他未被選擇的存儲(chǔ)元件保持暴露于(ΔHx，ΔHy)。應(yīng)該注意的是，對(duì)于被選存儲(chǔ)元件10s完成了補(bǔ)償，但是對(duì)于與被選存儲(chǔ)元件10s共享電流線(xiàn)的未被選擇的存儲(chǔ)元件10只補(bǔ)償了一個(gè)場(chǎng)分量，并且對(duì)于其他未被選擇的存儲(chǔ)元件10并未進(jìn)行補(bǔ)償。于是補(bǔ)償方案受限于與被選存儲(chǔ)元件10s共享電流線(xiàn)的未被選擇的存儲(chǔ)元件10和其他未被選擇的存儲(chǔ)元件的穩(wěn)定性要求，而且受限于可以在至存儲(chǔ)陣列的電流線(xiàn)中產(chǎn)生的最大電流。由于電遷移，最大補(bǔ)償電流將受到限制。應(yīng)該注意的是，如果總電流由于電遷移而受到限制，則可以在不同平面中添加額外的電流線(xiàn)(組)。由于額外掩模的成本，因此這不是理想的但是是可能的。
在圖6A和6B的幾何結(jié)構(gòu)中，示出符合與被選存儲(chǔ)元件10s共享電流線(xiàn)的未被選擇的存儲(chǔ)元件10的穩(wěn)定性要求的磁場(chǎng)。箭頭32表示被選存儲(chǔ)元件10s所需的寫(xiě)場(chǎng)，針對(duì)外部場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。只要(HWx，ΔHy)或(ΔHx，HWy)位于10年穩(wěn)定性區(qū)域(星形曲線(xiàn)30)內(nèi)，就可以保證與被選存儲(chǔ)元件10s共享電流線(xiàn)的未被選擇的存儲(chǔ)元件10的穩(wěn)定性。在圖6A中，將由箭頭32表示的寫(xiě)場(chǎng)分解為其兩個(gè)分量60、61，并且外部干擾磁場(chǎng)的x和y分量ΔHx和ΔHy的最大允許范圍用正方形62表示。可以補(bǔ)償在正方形62內(nèi)的所有干擾外部磁場(chǎng)(ΔHx，ΔHy)。
對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，外部干擾場(chǎng)(ΔHx，ΔHy)將是隨機(jī)的，并只在短時(shí)間內(nèi)。因此，圖6A和6B中的正方形62可以增加到較大的場(chǎng)，因?yàn)樵凇芭及l(fā)事件”的情況下“較高”半選擇場(chǎng)的穩(wěn)定性所需的時(shí)間是較短的。期望可以補(bǔ)償高達(dá)幾十Oe，例如高達(dá)40Oe的場(chǎng)，通常高達(dá)寫(xiě)入所需磁場(chǎng)的大約一半(參見(jiàn)圖6A和B中的幾何結(jié)構(gòu))。也就是說(shuō)，寫(xiě)電流范圍將由于典型的寫(xiě)電流值例如8mA電流的50％和150％之間的補(bǔ)償部分而改變，其中需要所述8mA電流在零外部磁場(chǎng)下產(chǎn)生磁場(chǎng)分量中的一個(gè)分量，并且包括補(bǔ)償?shù)目傠娏骺梢源蠹s從4mA變化到12mA，這取決于外部磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度。
在第二實(shí)施例中，磁場(chǎng)傳感器輸出51可以是直接反饋回路53的一部分，所述直接反饋回路53使用沿易軸EA和難軸HA都趨于零的磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生所需的補(bǔ)償電流，例如Icomp_b、Icomp_w。通過(guò)產(chǎn)生補(bǔ)償磁場(chǎng)傳感器50中的外部磁場(chǎng)的磁場(chǎng)，這種有效分量強(qiáng)制磁場(chǎng)傳感器50保持在它們的零狀態(tài)。至于MRAM元件，磁場(chǎng)的產(chǎn)生是使用在磁場(chǎng)傳感器50之下和/或其頂部上的電流線(xiàn)14、15進(jìn)行的。在一個(gè)方案中，傳感器的幾何形狀類(lèi)似于存儲(chǔ)元件10的幾何形狀，并且補(bǔ)償電流還直接饋送到MRAM陣列20中。在圖5中，這由虛線(xiàn)的反饋回路53示意性地示出。該實(shí)施例可以集成為連續(xù)的反饋回路(按時(shí)間)。
應(yīng)該注意的是，這個(gè)第二實(shí)施例只處理了具有內(nèi)部反饋回路的傳感器。例如，通過(guò)確保反饋回路中的場(chǎng)產(chǎn)生與存儲(chǔ)陣列20中的磁場(chǎng)產(chǎn)生相同，可以將反饋回路中的電流“鏡像”到由補(bǔ)償電路52所需的電流上。因此，傳感器和存儲(chǔ)元件相對(duì)于電流線(xiàn)的位置、以及相應(yīng)電流線(xiàn)的幾何形狀優(yōu)選是相同的。
應(yīng)該理解的是，盡管這里已經(jīng)針對(duì)根據(jù)本發(fā)明的器件討論了優(yōu)選實(shí)施例、特定結(jié)構(gòu)和構(gòu)造以及材料，但是在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下可以在形式上和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種磁阻存儲(chǔ)元件(10)的陣列(20)，包括用于施加電流或電壓以在被選磁阻存儲(chǔ)元件(10s)處產(chǎn)生編程磁場(chǎng)的裝置，用于測(cè)量所述被選磁阻存儲(chǔ)元件(10s)附近的外部磁場(chǎng)的磁場(chǎng)傳感器單元(50)，以及用于調(diào)整所述電流或電壓以在編程操作期間局部地補(bǔ)償所測(cè)量到的外部磁場(chǎng)(52)的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列，其中所述磁場(chǎng)傳感器單元(50)是模擬傳感器單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列，其中所述磁場(chǎng)傳感器單元包括多個(gè)磁場(chǎng)傳感器(50)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列(20)，其中所述用于施加電流或電壓的裝置包括至少一條電流線(xiàn)(14、15)和用于使電流(Ibit，Iword)流過(guò)所述至少一條電流線(xiàn)的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列(20)，其中所述磁場(chǎng)傳感器單元(50)適于產(chǎn)生表示測(cè)量到的所述外部磁場(chǎng)的輸出信號(hào)(51)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的陣列(20)，其中所述用于調(diào)整所述電流或電壓的裝置(52)包括用于強(qiáng)制補(bǔ)償電流(Icomp_b和Icomp_w)流過(guò)所述至少一條電流線(xiàn)(14、15)的補(bǔ)償電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的陣列(20)，其中所述補(bǔ)償電路還在所述磁場(chǎng)傳感器單元(50)處施加補(bǔ)償磁場(chǎng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陣列(20)，其中所述模擬磁場(chǎng)傳感器單元(50)是與所述磁阻存儲(chǔ)元件(10)結(jié)構(gòu)相同的元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的陣列(20)，其中所述磁場(chǎng)傳感器單元(50)與所述磁阻存儲(chǔ)元件(10)相比對(duì)磁場(chǎng)更敏感。
10.一種用于在磁性存儲(chǔ)元件(10)編程期間補(bǔ)償外部磁場(chǎng)存在的方法，通過(guò)向所述磁性存儲(chǔ)元件(10)施加用于產(chǎn)生編程磁場(chǎng)的電流(Ibit，Iword)或電壓來(lái)進(jìn)行所述編程，該方法包括測(cè)量所述磁性存儲(chǔ)元件(10)附近的所述外部磁場(chǎng)，并且通過(guò)調(diào)整用于產(chǎn)生所述編程磁場(chǎng)的所述電流(Ibit，Iword)或電壓，在所述編程操作期間，局部地補(bǔ)償所述外部磁場(chǎng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中施加電流或電壓包括使電流(Ibit，Iword)流過(guò)至少一條電流線(xiàn)(14、15)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中調(diào)整所述電流或電壓包括使電流(Ibit+Icomp_b，Iword+Icomp_w)流過(guò)所述至少一條電流線(xiàn)(14、15)，該電流(Ibit+Icomp_b，Iword+Icomp_w)不同于當(dāng)不存在外部磁場(chǎng)以便產(chǎn)生相同編程磁場(chǎng)時(shí)流過(guò)所述至少一條電流線(xiàn)(14、15)的電流(Ibit，Iword)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁阻存儲(chǔ)元件(10)的陣列(20)。陣列(20)包括用于施加電流或電壓的裝置，所述電流或電壓用于在被選磁阻存儲(chǔ)元件(10s)處產(chǎn)生編程磁場(chǎng)；用于測(cè)量被選磁阻存儲(chǔ)元件(10s)附近的外部磁場(chǎng)的磁場(chǎng)傳感器單元(50)；以及用于調(diào)整電流或電壓的裝置(52)，所述電流或電壓用于在編程操作期間局部地補(bǔ)償所測(cè)量到的外部磁場(chǎng)。本發(fā)明還提供一種相應(yīng)的方法。
文檔編號(hào)G11C11/16GK1886801SQ200480034619
公開(kāi)日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2004年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月24日
發(fā)明者漢斯·M·B·貝維 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司