專利名稱：存儲單元裝置及其運行方法
關(guān)于非易失的寫入/讀取存儲器愈來愈多地對存儲單元裝置進(jìn)行研究，在其中將磁阻元件使用作為信息存儲。
在專業(yè)領(lǐng)域中將磁阻元件，也被稱為磁阻元件，理解為一種結(jié)構(gòu)，這至少有兩個鐵磁層和安排在其中間的非磁性層。根據(jù)層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)在GMR-元件，TMR-元件和CMR-元件之間是有區(qū)別的(見S.Mengel，磁性的技術(shù)分析，卷2，XMR-技術(shù)，出版社VDI技術(shù)中心物理技術(shù)1997年8月)。
將概念GMR-元件使用在層結(jié)構(gòu)上，這至少有兩個鐵磁層和安排在其中間的非磁性的，導(dǎo)電層和顯示所謂的GMR(巨大的磁阻)-效應(yīng)。將以下事實理解為GMR-效應(yīng)，GMR-元件的阻抗是與GMR-效應(yīng)有關(guān)的，無論在兩個鐵磁層上的磁化是相互平行或不相互平行的。GMR-效應(yīng)比所謂的AMR(各向異性的磁阻)-效應(yīng)大。將以下事實理解為AMR-效應(yīng)，在磁化導(dǎo)體上平行于和垂直于磁化方向的阻抗是不同的。在AMR-效應(yīng)時涉及到在鐵磁的單層上出現(xiàn)的體積效應(yīng)。
在專業(yè)領(lǐng)域?qū)⒏拍頣MR-元件使用在“隧道磁阻”-層結(jié)構(gòu)上，這至少有兩個鐵磁層和一個安排在其中間的絕緣的，非磁性層。其中絕緣層是這樣的薄，使它在兩個鐵磁層之間導(dǎo)致隧道電流。這種層結(jié)構(gòu)同樣顯示了磁阻效應(yīng)，這通過一個旋轉(zhuǎn)偏振的隧道電流通過安排在兩個鐵磁層之間的絕緣的，非磁性層起作用。在這種情況下TMR-元件的阻抗也是與它有關(guān)的，無論在兩個鐵磁層上的磁化是相互平行或不相互平行的。其中相對的阻抗變化大約為在室溫時的百分之6至40。
已經(jīng)建議了，(例如見D.D.Tang等，IEDM95，997至999頁，J.M.Daughton，薄的固體膜，卷216(1992)，162至168頁，Z.Wang等，磁性學(xué)和磁性材料，卷155(1996)，161至163頁)將GMR-元件作為存儲元件使用在存儲單元裝置上。將存儲元件由讀取導(dǎo)線串聯(lián)在一起。與其橫向的是字導(dǎo)線，這不僅相對于讀取導(dǎo)線而且相對于存儲元件是絕緣的。在字導(dǎo)線上的信號通過在每個字導(dǎo)線上流過的電流產(chǎn)生一個磁場，這當(dāng)足夠強的時候影響位于其下面的存儲元件。為了將信息寫入使用x/y導(dǎo)線，這在準(zhǔn)備寫入的存儲單元上是交叉的。將它們加上信號負(fù)荷，信號在交叉點上對于磁性變換產(chǎn)生足夠的磁場。在其中將兩個鐵磁層中的一個的磁化方向反向。相反在兩個鐵磁層中另外上的磁化方向保持不變。在后面敘述的鐵磁層上的磁化方向保持不變是通過相鄰的非鐵磁層完成的，這個將磁化方向保持不變，或從而將鐵磁層的電路閾值通過另外的材料或另外的尺寸，例如另外的層厚，與首先敘述的鐵磁層相比較放大了。為了讀取信息將字導(dǎo)線加上脈沖信號負(fù)荷，通過這個將兩個磁化狀態(tài)之間的有關(guān)存儲單元來回地接通。將電流通過字導(dǎo)線進(jìn)行測量，從中將相應(yīng)存儲單元的阻抗值求出。
在US 5 173 873中已知一種磁阻存儲單元裝置，在其中為了選定準(zhǔn)備讀取的存儲單元安排了晶體管。
在US 5 640 343中已知一種存儲單元裝置，在其中使用串聯(lián)的TMR-元件作為具有二極管的存儲單元。將二極管用于讀取多個存儲單元的信息。
以下問題以本發(fā)明為基礎(chǔ)，規(guī)定具有磁阻元件的一種存儲單元裝置，這個在高包裝密度和低處理技術(shù)費用時使安全地讀取被存儲的信息成為可能。
此外應(yīng)該規(guī)定這種存儲單元裝置的運行方法。
這些任務(wù)是通過按照權(quán)利要求1的存儲單元裝置以及按照權(quán)利要求10的運行方法解決的。本發(fā)明的其他結(jié)構(gòu)來源于從屬權(quán)利要求。
存儲單元裝置有存儲單元，在其中每個存儲單元包括兩個磁阻元件。有益的是使用TMR-元件或GMR-元件作為磁阻元件，因為這些在室溫時在磁化改變時顯示出足夠大的阻抗變化和同時用可代替的磁場是可以改變磁化的。
這種存儲單元裝置一方面使多層邏輯意義上的數(shù)據(jù)存儲成為可能，也就是說在一個存儲單元中關(guān)于磁阻元件阻抗值的四個不同狀態(tài)是可能的，將這個可以從屬于四個不同的邏輯值。因此可以達(dá)到提高存儲密度和因此包裝密度的目的。
可以有選擇地在每個存儲單元中將磁阻元件這樣磁化，使它們始終有不同的阻抗值。在這種情況下每個存儲單元有可能是兩種不同狀態(tài)。存儲單元裝置的這種結(jié)構(gòu)用降低的電路費用是可以讀取的，這樣存儲單元裝置可以用降低的位置需求制造和當(dāng)讀取時使比較高的安全性成為可能。
為了讀取這個存儲單元裝置有益地將存儲單元的磁阻元件各自在一個電壓電平和一個信號導(dǎo)線之間接通，此時兩個磁阻元件的電壓電平的大小是一樣的，然而有不同的極性。兩個磁阻元件的信號導(dǎo)線是一樣的。在信號導(dǎo)線上進(jìn)行評價，是否在那里釋放的電壓大于或小于零。因此為了讀取信息一個簡單的橋電路就足夠了。
其中有益的是將存儲單元的磁阻元件相鄰并列地安排。用這種方法將磁阻元件工藝決定的性能不均勻性，特別是由沉積、平版印刷、腐蝕等引起的系統(tǒng)處理不均勻性，對于評價信號沒有影響。此外橋電路要求的外部電路是對稱的。
存儲單元裝置不僅可以通過接通的而且也可以通過不接通的讀取進(jìn)行評價。將比接通讀取快和容易實現(xiàn)的不接通的讀取理解為以下事實，當(dāng)讀取過程時在印刷電路板網(wǎng)格上的電流是低臨界的，也就是說沒有達(dá)到存儲單元變換磁性的接通閾值。存儲單元的狀態(tài)保持不變，這樣就不要求讀取之后花費時間地重新讀入原始存儲信息。
在這種存儲單元裝置中將屬于0和1的不同邏輯狀態(tài)經(jīng)過讀取信號的不同符號進(jìn)行識別。具有不同符號的信號在電路技術(shù)上是容易區(qū)別的。因此存儲單元裝置是用高的評價安全性讀取的。
涉及到大面積存儲單元裝置有益的是安排第一種和第二種導(dǎo)線。其中第一種導(dǎo)線是相互平行的和第二種導(dǎo)線是相互平行的。第一種導(dǎo)線和第二種導(dǎo)線是交叉的。磁阻元件各自在第一種導(dǎo)線和第二種導(dǎo)線之間是接通的。其中一個存儲單元的磁阻元件是各自與兩個不同的第一種導(dǎo)線和同樣的第二種導(dǎo)線連接的。為了讀取存儲在存儲單元中的信息將兩個第一種導(dǎo)線加上同樣大小然而不同極性的電壓電平負(fù)荷，一般是將第一種導(dǎo)線與參考電勢連接，特別是接地。在與被選定的存儲單元的磁阻元件連接的第二個導(dǎo)線上對信號進(jìn)行評價。在第二個導(dǎo)線上生成的電壓電平依賴于被存儲的信息有不同的極性。信號高度是與磁阻的磁阻值，與加在第一種導(dǎo)線上的電壓電平以及與存在的第一種導(dǎo)線的數(shù)目有關(guān)的。隨著第一種導(dǎo)線數(shù)目的增加信號的電平高度降低。
為了補償?shù)谝环N導(dǎo)線數(shù)目對信號電平高度的影響，有益的是將第二種導(dǎo)線與電流跟蹤器連接。電流跟蹤器有一個反饋的運算放大器，其反向的入口是與各個第二個導(dǎo)線連接的。非反向的入口是與地電勢連接的。因此在第二個導(dǎo)線上將電勢調(diào)節(jié)為零。在運算放大器的出口加上一個信號，從中可以讀出存儲單元裝置輸出信號的極性。
有益的是磁阻元件各自至少有第一個鐵磁層元件，一個非磁性層元件和第二個鐵磁層元件，在其中將非磁性層元件安排在第一個鐵磁層元件和第二個鐵磁層元件之間。對于每個存儲單元在磁阻元件中在第一個鐵磁層元件和第二個鐵磁層元件上的磁化方向是相互平行的，而在其他的磁阻元件中在第一個鐵磁層元件和第二個鐵磁層元件上的磁化方向是相互反向平行的。
在本發(fā)明范圍內(nèi)第一個鐵磁層元件和第二個鐵磁層元件至少包括材料鐵，鎳，鈷，鉻，錳，鉍，釓和/或鏑和它們垂直于層平面各自的厚度為2和20nm之間。
在本發(fā)明范圍內(nèi)非磁性材料包括Al2O3，NiO，HfO2，TiO2，NbO，SiO2，Cu，Au，Ag和/或Al和垂直于層平面的厚度為1nm和5nm之間。
下面借助于附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的實施例。
附

圖1表示了各自具有兩個磁阻元件的存儲單元的存儲單元裝置視圖。
附圖2表示了本發(fā)明存儲單元裝置的電路簡圖，借助于這個敘述讀取過程。
附圖3表示了準(zhǔn)備讀取的存儲單元的等效電路圖。
附圖4表示了用于讀取存儲單元裝置的另外的電路。
附圖5表示了一個電路簡圖，借助于這個敘述信息寫入。
存儲單元裝置包括了帶狀的，相互平行的第一種導(dǎo)線LIi，i＝1…m。此外存儲單元裝置包括第二種導(dǎo)線LIIj，j＝1…n和是相互平行的。第一種導(dǎo)線LIi和第二種導(dǎo)線LIIj是相互交叉的(見附圖1)。
在第一種導(dǎo)線LIi和第二種導(dǎo)線LIIj之間的交叉點上各自安排了一個磁阻元件MRij和在有關(guān)導(dǎo)線之間是接通的。每個磁阻元件MRij包括第一個鐵磁層元件FM1和一個非磁性層元件NM和第二個鐵磁層元件FM2。第一個鐵磁層元件FM1包括了CoFe和厚度為2至10nm。將這種層元件的磁化可以通過在其下面例如由FeMn或InMn構(gòu)成的非鐵磁層在確定的方向上決定的。非磁性層元件NM包括Al2O3和厚度從0,5至3nm。第二個鐵磁層元件FM2包括NiFe和層厚度從2至8nm。在這個實施例中由于它們的材料成分第一個鐵磁層元件FM1比第二個鐵磁層元件FM2有比較大的磁性硬度。
每兩個相鄰的與不同的第一種導(dǎo)線LIi，LIi+1連接的磁阻元件MRij，MRi+1，j構(gòu)成一個存儲單元Sii+1j。在附圖1中將存儲單元Sii+1j用虛線表示。存儲單元Sii+1j的兩個磁阻元件MRij，MRi+1j此時是與同樣的第二個導(dǎo)線LIIj連接的。
在磁阻元件MRij，MRi+1j的一個和同樣的存儲單元Sii+1j上的鐵磁層元件FM1，F(xiàn)M2的磁化是這樣構(gòu)成的，將在磁阻元件MRij，MRi+1j中的一個在第一個鐵磁層元件FM1和第二個鐵磁層元件FM2上的磁化方向構(gòu)成為相互平行的和在其他上的是相互反向平行的。此外將第一個鐵磁層元件FM1上的磁化構(gòu)成為統(tǒng)一在一個方向上(在附圖1上平行于導(dǎo)線LIIj)。因此磁阻元件MRij，MRi+1j有一個與同樣的存儲單元Sii+1j不同的阻抗值。將具有兩個邏輯值的數(shù)字信息通過不同阻抗值裝置存儲在存儲單元Sii+1j中，也就是說從而磁阻元件MRi+1j有比較大的阻抗或磁阻元件MRij有比較大的和磁阻元件MRi+1j有比較小的阻抗。
在第一個和第二個鐵磁層元件(FM1或FM2)上的磁化方向可以完全與第一種導(dǎo)線LIi平行或與第二種導(dǎo)線LIIj平行，如附圖1表示的。
存儲單元裝置表示了一個阻抗矩陣。在附圖2上表示了這個阻抗矩陣的簡圖，在其中磁阻元件MRij是用其阻抗Rij標(biāo)志的。
為了讀取具有阻抗Rij和Rij+1的存儲單元Sii+1j將所屬的第一種導(dǎo)線LIi，LIi+1加上與零不同的電壓電平負(fù)荷。其中將第一個導(dǎo)線加上+U/2負(fù)荷。將其余的具有x≠i，i+1的第一種導(dǎo)線LIx與接地電勢(電勢0)連接。在第二個導(dǎo)線LIIj上，這是與存儲單元Sii+1j的阻抗Rij，Ri+1j連接的，將輸出信號進(jìn)行評價。電壓源提供-U/2和+U/2的中間的觸點同樣位于接地電勢上。
在第二個導(dǎo)線LIIj上分支的信號的電平高度Uj可以如下面進(jìn)行評估將具有x≠i，i+1的阻抗Rxj，這個一方面經(jīng)過具有x≠i，i+1的第一種導(dǎo)線LIx與接地電勢和另外一方面與第二個導(dǎo)線LIIj相連接，共同構(gòu)成為半橋的橫向阻抗Rj，半橋是由Rij和Ri+1，j構(gòu)成的。
對于阻抗Rj為
R0/(m-2)≤Rj≤(R0+ΔR)/(m-2)其中R0是兩個阻抗中比較小的和R0+ΔR是兩個阻抗中比較大的阻抗，這些是磁阻元件MRij可以采用的。Rj的下面的值適合于這種情況，所有阻抗采用值R0，上面的界限適合于這種情況，所有阻抗采用R0+ΔR。在第二個導(dǎo)線上的信號電平Uj的數(shù)值Uj0為U2ΔR/R0ΔR/R0(m-1)+m≤Uj0≤U2ΔR/R0ΔR/R0+m]]>信號電平Uj根據(jù)被存儲的邏輯信息可以采用數(shù)值+Uj0或-Uj0。 為了讀取信息在第二個導(dǎo)線LIIj上確定，是否電平大于或小于零，就足夠了。有益的是評價是通過一個雙穩(wěn)態(tài)電路，例如斯密特-觸發(fā)器或具有高放大的差分放大器進(jìn)行的。數(shù)值Uj0的高度是與第一種導(dǎo)線LIi的數(shù)目m成反比的。隨著第一種導(dǎo)線LIi的數(shù)目m的增加信號高度下降。
為了不依賴于第一種導(dǎo)線LIi的數(shù)目安全地評價信號Uj將第二種導(dǎo)線LIIj各自與經(jīng)過阻抗Rkj反饋的運算放大器OPj轉(zhuǎn)換的入口進(jìn)行連接(見附圖4)。將運算放大器OPj的不變換的入口接地。在連接為電流跟蹤器的運算放大器OPj的出口上分出一個信號Uj’，其信號高度Uj0是與第一種導(dǎo)線LIm無關(guān)的。其數(shù)值Uj0’為Uj0′=RkjR0U2ΔR/R0ΔR/R0+1]]>
信號Uj’又可以采用數(shù)值+Uj0’或-Uj0’，根據(jù)哪個邏輯信息是存儲在存儲單元Sii+1j中。 為了寫入信息將具有正電流+IW的第一個導(dǎo)線LIi和具有負(fù)電流-IW的第一個導(dǎo)線LIi+1加負(fù)荷(見附圖5)。電流按照數(shù)值是相同的的。這些電流可以從一個共同的電流源中流出，一旦將第一種導(dǎo)線LIi，LIi+1經(jīng)過一個開關(guān)S相互連接時。將所屬的第二個導(dǎo)線LIIj加上電流IB負(fù)荷。在第一種導(dǎo)線LIi，LIi+1和第二種導(dǎo)線LIIj之間交叉點上的電流IB和IW的作用是，在交叉點上安排了具有阻抗Rij，Ri+1j的磁阻元件MRij，MRi+1j，產(chǎn)生足夠大的磁場，以便在第二個鐵磁層元件FM2上將磁化接通。在由于其材料選擇是磁性比較硬的第一個鐵磁層元件FM1上的磁化此時保持不變(見附圖5)。為了寫入將電流IW和IB這樣選擇，在阻抗Rij，Ri+1，j的地方得到的磁場超過第二個鐵磁層元件FM2的接通閾值。通過電流IW的方向?qū)懭氲男畔⒋_定。第二種導(dǎo)線LIIj的作用是作為信號導(dǎo)線。
將第一種導(dǎo)線LIi可以各自使用作為字導(dǎo)線，將第二種導(dǎo)線LIIj各自使用作為位導(dǎo)線。有選擇地也可能，將第一種導(dǎo)線LII使用作為位導(dǎo)線和將第二種導(dǎo)線LIIj使用作為位導(dǎo)線。
權(quán)利要求
1.存儲單元裝置，具有存儲單元，其中每個存儲單元有兩個磁阻元件，在其上在每個存儲單元上的磁阻元件是這樣磁化的，它們有不同的阻抗值，在其上將一個存儲單元的磁阻元件經(jīng)過一個信號導(dǎo)線串聯(lián)在一起和將這樣構(gòu)成的總阻抗的兩個端部加上同樣大小但是極性相反的電壓。
2.按照權(quán)利要求1的存儲單元裝置，在其上磁阻元件是TMR-元件或GMR-元件。
3.按照權(quán)利要求1或2的存儲單元裝置，在其上將一個存儲單元的磁阻元件并排相鄰地安排在一個平面上。
4.按照上述權(quán)利要求1至3之一的存儲單元裝置，-在其上安排了各自相互平行的第一種導(dǎo)線和第二種導(dǎo)線，并且第一種導(dǎo)線和第二種導(dǎo)線是交叉的，-在其上將磁阻元件各自在第一種導(dǎo)線中的一個和第二種導(dǎo)線中的一個之間接通，-在其上一個存儲單元中的磁阻元件各自與不同的第一種導(dǎo)線和同樣的第二個導(dǎo)線連接。
5.按照權(quán)利要求1至4之一的存儲單元裝置，-在其上磁阻元件各自至少有第一個鐵磁層元件，一個非鐵磁層元件和第二個鐵磁層元件，其中將非鐵磁層元件安排在第一個鐵磁層元件和第二個鐵磁層元件之間，-在其上將每個在磁阻元件上的存儲單元安排成在第一個鐵磁層元件和第二個鐵磁層元件上的磁化是相互平行的，并且在另外的磁阻元件上在第一個鐵磁層元件和第二個鐵磁層元件上的磁化是相互反向平行的。
6.按照權(quán)利要求5的存儲單元裝置，-在其上第一個鐵磁層元件和第二個鐵磁層元件各自至少包括有元素鐵、鎳、鈷、鉻、錳、鉍、釓和/或鏑中的一種和垂直于層平面各自的厚度在2nm和20nm之間，-在其上非磁性層材料包括Al2O3，NiO，HfO2，TiO2，NbO，SiO2，Cu，Au，Ag和/或Al和垂直于層平面的厚度為1nm和5nm之間。
7.按照權(quán)利要求1至6之一的存儲單元裝置，在其上第二種導(dǎo)線各自與一個電流跟蹤器連接。
8.按照權(quán)利要求1至7之一的存儲單元裝置的運行方法，-在其上將在一個存儲單元上的磁阻元件這樣磁化，使它們有不同的阻抗，-在其上為了讀出存儲單元的信息將存儲單元的磁阻元件各自在一個電壓電平和一個信號導(dǎo)線之間接通，其中電壓電平的數(shù)值大小對于兩個磁阻元件是相同的，然而有不同的極性和信號導(dǎo)線對于兩個磁阻元件是相同的，-在其上在信號導(dǎo)線上進(jìn)行評價，是否在那里釋放的電流大于或小于零，-在其上為了改變存儲在存儲單元上的信息將存儲單元的兩個磁阻元件的阻抗改變。
全文摘要
存儲單元裝置是由各自包括兩個磁阻元件的存儲單元組成的。在每個存儲單元上的磁阻元件是在這種情況下磁化的,使它們有不同的阻抗值,在存儲單元上的數(shù)據(jù)存儲可以用阻抗半橋電路決定,如何評價在出口出現(xiàn)的在其中是否在上述出口獲得的信號大于或小于零。
文檔編號H01F10/16GK1372687SQ00812492
公開日2002年10月2日 申請日期2000年9月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月6日
發(fā)明者S·施瓦爾茲, S·米塔納 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司