專利名稱：可伸縮mram元件的寫入的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體存儲器件。
具體而言，本發(fā)明涉及利用磁場的半導體隨機存取存儲器件。
背景技術：
非易失性存儲器件是電子系統(tǒng)中極為重要的部件。如今，快擦寫存儲器(FLASH)在應用中成為主要的非易失性存儲器件。典型的非易失性存儲器件使用在浮動氧化物層(floating oxide layer)中俘獲的電荷來存儲信息?？觳翆懘鎯ζ鞯娜秉c包括電壓要求高以及編程和擦除時間長。另外，在存儲器失效之前，快擦寫存儲器具有104～106個周期的較差寫入持續(xù)時間。此外，為保持合理的數(shù)據(jù)記憶力，柵極氧化物的定標(scaling)受到電子所遇見的隧道勢壘的限制。因此，限制了快擦寫存儲器可定標到的尺寸。
為克服這些缺陷，人們對磁存儲器件進行研究。一種這樣的器件是磁電阻RAM(以后稱之為“MRAM”)。然而，為實現(xiàn)商用，MRAM必須具有同當前存儲技術可比的存儲密度，可伸縮以適應未來的升級，工作電壓低，功耗低，且讀/寫速度具有競爭力。
對于MRAM器件，非易失性存儲狀態(tài)的穩(wěn)定性，讀/寫周期的可重復性，和存儲器元件至元件切換場的一致性成為其設計特性的三個最重要的方面。在MRAM中的存儲狀態(tài)并不是由電能來保持，而是由磁矩矢量的方向來保持。通過施加磁場并且使MRAM器件中的磁性材料磁化成兩種可能的存儲狀態(tài)之中的一種，來實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)。通過檢測在MRAM器件中兩種狀態(tài)之間的電阻差來恢復數(shù)據(jù)。通過使電流流經(jīng)磁結構之外的帶狀線(trip lines)或磁結構本身來產(chǎn)生用于寫入的磁場。
隨著MRAM器件橫向尺寸的減小，出現(xiàn)了三種問題。首先，對于給定形狀和膜厚度，切換場增大，需要更大的磁場來切換。其次，減小了總切換體積(total switching volume)，使得用于反轉(zhuǎn)的能量勢壘減小。能量勢壘表示用于將磁矩矢量從一個狀態(tài)切換到另一個狀態(tài)所需的能量的量值。能量勢壘決定MRAM器件的數(shù)據(jù)保持力和差錯率，如果勢壘過小，會因熱漲落(超順磁性)而出現(xiàn)不期望的反轉(zhuǎn)。較小能量勢壘的主要問題在于，極難有選擇地切換陣列中的一個MRAM器件。可選擇性允許進行切換，而不會無意地對其他MRAM器件進行切換。最后，由于切換場是由形狀產(chǎn)生，當MRAM器件尺寸減小時，切換場變得對形狀變化更為敏感。隨著在更小尺度進行光刻定標變得更為困難，MRAM器件將難于保持緊湊的切換分布。
因此，克服上述缺陷以及其它現(xiàn)有技術所固有的缺陷，將很有意義。
從而，本發(fā)明的一個目的在于，提供一種寫入磁電阻隨機存取存儲器件的新型、改進的方法。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種寫入高度可選擇的磁電阻隨機存取存儲器件的新型、改進的方法。
本發(fā)明的又一目的在于，提供一種寫入差錯率得到改善的磁電阻隨機存取存儲器件的新型、改進的方法。
本發(fā)明的再一目的在于，提供一種寫入磁電阻隨機存取存儲器件的優(yōu)選新型、改進的方法，所述器件的切換場對形狀的依賴更小。

發(fā)明內(nèi)容
為實現(xiàn)上述提出的以及其他目的和優(yōu)點，批露了一種寫入可伸縮磁電阻存儲陣列的方法。存儲陣列包括多個可伸縮磁電阻存儲器件。為簡單起見，本發(fā)明將考察如何將寫入方法應用于單個MRAM器件，不過應該理解，該寫入方法可應用于任何數(shù)量的MRAM器件。
用于說明該寫入方法的MRAM器件包括與磁電阻存儲元件位置鄰近的字線和數(shù)字線。磁電阻存儲元件包括與數(shù)字線位置鄰近的栓固磁區(qū)(pinned magnetic region)。隧道勢壘置于栓固磁區(qū)上。然后，在隧道勢壘上安置自由磁區(qū)，并與字線鄰近。在優(yōu)選實施例中，栓固磁區(qū)的合成磁矩矢量被固定在最佳方向。此外，在優(yōu)選實施例中，自由磁區(qū)包括合成反鐵磁(以后稱之為“SAF”)層材料。合成反鐵磁層材料包括N個反鐵磁耦合的鐵磁材料層，其中，總數(shù)N大于或等于2。N層決定著磁切換體積，通過改變N可對其進行調(diào)整。在優(yōu)選實施例中，通過在各鄰近鐵磁層之間夾持反鐵磁耦合間隔層，將N個鐵磁層反鐵磁耦合。另外，各N層具有被調(diào)整成提供最佳寫入模式的磁矩。
在優(yōu)選實施例中，N等于2，使得合成反鐵磁層材料為鐵磁層/反鐵磁耦合間隔層/鐵磁層的三層結構。三層結構中的兩個鐵磁層分別具有磁矩矢量M1和M2，且通常通過反鐵磁耦合間隔層的耦合使磁矩矢量反平行取向。在MRAM結構中各層的靜磁場也產(chǎn)生反鐵磁耦合。因此，除了消除兩個磁層之間的鐵磁耦合外，間隔層不必提供任何附加的反鐵磁耦合?？梢栽陬}為“Magnetoresistance Random AccessMemory for Improved Scalability”的與本申請同一天提交的共同未決美國專利申請中得到用于說明該寫入方法的MRAM器件的更多信息，該申請在此引作參考。
MRAM器件中兩個鐵磁層的磁距矢量可具有不同厚度或材料，以提供由ΔM＝(M2-M1)給出的結果磁矩矢量和子層磁矩分數(shù)平衡比(sub-layer moment fractional balance ratio)Mbr=(M2-M1)(M2+M1)=ΔMMtotal.]]>三層結構的合成磁距矢量隨所施加的磁場自由旋轉(zhuǎn)。在零場中，合成磁距矢量的方向?qū)⒎€(wěn)定，這是由磁性的各向異性而決定，即與栓固參考層(pinned reference layer)的合成磁矩矢量平行，或反平行。應該理解，術語“合成磁矩矢量”僅用于本說明目的，并且考慮完全平衡磁矩的情形，在沒有磁場時，合成磁矩矢量可以為零。如下面所述，只有與隧道勢壘鄰近的子層磁矩矢量決定存儲器的狀態(tài)。
流過MRAM器件的電流取決于隧道磁電阻，隧道磁電阻由直接與隧道勢壘鄰近的自由和栓固層的磁矩矢量的相對取向而決定。如果磁距矢量平行，則MRAM器件電阻較低，偏壓將導致更大的電流流過器件。將此狀態(tài)定義為“1”。如果磁距矢量反平行，則MRAM器件電阻較高，所施加的偏壓將導致更小的電流流過器件。將此狀態(tài)定義為“0”。應該理解，這些定義是隨意的，反之也可，不過在此示例中所用定義出于說明目的。因此，在磁電阻存儲器中，通過施加磁場，使MRAM器件中磁距矢量按相對于栓固參考層中磁距矢量平行和反平行方向之中任一種方向取向，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。
對可伸縮MRAM器件進行寫入的方法依賴近平衡(nearlybalanced)的SAF三層結構的“自旋-翻轉(zhuǎn)(spin-flop)”現(xiàn)象。這里，將術語“近平衡”定義為，子層磁矩分數(shù)平衡比的量值處在范圍0≤|Mbr|≤0.1內(nèi)。自旋-翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象通過旋轉(zhuǎn)鐵磁層的磁距矢量，使得它們與所施加場的方向標稱(nominally)正交，但主要仍是相互反平行，從而降低所施加場的總磁能。在所施加場的方向上各鐵磁磁距矢量的帶有較小偏轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)造成總磁能的減少。
通常，利用翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象和定時脈沖序列，能夠使用兩個截然不同的模式對MRAM器件進行寫入；即直接寫入模式或觸發(fā)寫入(togglewrite)模式。這些模式使用相同的定時脈沖序列來實現(xiàn)，對此下面將會有所描述，不過在磁性子層磁矩與所施加磁場的大小及極性的選擇上有所不同。
每種寫入方法都具有各自的優(yōu)點。例如，當使用直接寫入模式時，若進行寫入的狀態(tài)不同于存儲的狀態(tài)，由于僅切換狀態(tài)，從而無需確定MRAM器件的最初狀態(tài)。盡管在啟動寫入序列之前直接寫入方法無需知曉MRAM器件的狀態(tài)，然而它需要依據(jù)所期望的狀態(tài)改變字和數(shù)字線的極性。
當使用觸發(fā)寫入方法時，由于每當從字和數(shù)字線產(chǎn)生相同極性脈沖序列時將會切換狀態(tài)，從而在寫入前需要確定MRAM器件的最初狀態(tài)。因此，通過讀取所存儲的存儲器狀態(tài)并將該狀態(tài)與所要寫入的新狀態(tài)進行比較，使觸發(fā)寫入模式起作用。比較之后，僅當所存儲的狀態(tài)與新狀態(tài)不同時，才對MRAM器件進行寫入。
MRAM器件被構造成使得磁各向異性軸理想地與字和數(shù)字線成45°角。因此，在時刻t0處，磁距矢量M1和M2沿最佳方向取向，與字線和數(shù)字線的方向成45°角。作為寫入方法的示例，為使用直接或觸發(fā)寫入切換MRAM器件的狀態(tài)，使用以下電流脈沖序列。在時刻t1，增大字電流，M1和M2開始依據(jù)字電流的方向按順時針方向或按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，由于自旋-翻轉(zhuǎn)效應，從而使它們調(diào)整成與場方向標稱正交。在時刻t2，接通數(shù)字電流。數(shù)字電流的流動方向使得M1和M2在與數(shù)字線磁場所導致旋轉(zhuǎn)相同的方向上進一步旋轉(zhuǎn)。此時，接通字線電流和數(shù)字線電流，且M1和M2與凈磁場方向標稱正交，其相對電流線成45°。
重要的是應當理解，當僅接通一個電流時，磁場將使M1和M2標稱對準與字線或數(shù)字線平行的方向。然而，如果接通兩個電流，則M1和M2標稱正交地對準成與字線和數(shù)字線成45°角。
在時刻t3，切斷字線電流，使得僅通過數(shù)字線磁場旋轉(zhuǎn)M1和M2。此時，通常M1和M2已旋轉(zhuǎn)過其不易磁化軸(hard-axis)不穩(wěn)定點。在時刻t4，切斷數(shù)字電流，M1和M2沿最佳各向異性軸對準。此時，M1和M2已旋轉(zhuǎn)180°，并且MRAM器件已切換。從而，通過順序接通和切斷字和數(shù)字電流，能夠使MRAM器件的M1和M2旋轉(zhuǎn)180°，以便切換器件的狀態(tài)。


對本領域技術人員而言，結合以下附圖，通過后面對本文優(yōu)選實施例的詳細描述，將易于理解上述及其他更為具體的本發(fā)明目的和優(yōu)點圖1是表示磁電阻隨機存取存儲器件的簡化截面圖；圖2是表示具有字和數(shù)字線的磁電阻隨機存取存儲器件的簡化平面圖；圖3的圖表模擬了在磁電阻隨機存取存儲器件中產(chǎn)生直接或觸發(fā)寫入模式的磁場幅值組合；圖4表示當接通字電流和數(shù)字電流時二者的時序圖；
圖5表示對于觸發(fā)寫入模式，當將’1’寫成’0’時，磁電阻隨機存取存儲器件的磁矩矢量的旋轉(zhuǎn)；圖6表示對于觸發(fā)寫入模式，當將’0’寫成’1’時，磁電阻隨機存取存儲器件的磁矩矢量的旋轉(zhuǎn)；圖7表示對于直接寫入模式，當將’1’寫成’0’時，磁電阻隨機存取存儲器件的磁矩矢量的旋轉(zhuǎn)；圖8表示對于直接寫入模式，當將’0’寫成已經(jīng)為’0’的狀態(tài)時，磁電阻隨機存取存儲器件的磁矩矢量的旋轉(zhuǎn)；圖9表示當僅接通數(shù)字電流時字電流和數(shù)字電流的時序圖；圖10表示當僅接通數(shù)字電流時，磁電阻隨機存取存儲器件的磁矩矢量的旋轉(zhuǎn)。
具體實施例方式
現(xiàn)參看圖1，圖1表示根據(jù)本發(fā)明的MRAM陣列3的簡化截面圖。在該圖中，僅顯示單個磁電阻存儲器件10，但應該理解，MRAM陣列3包括多個MRAM器件10，在此僅顯示一個這樣的器件是為了簡化寫入方法的描述。
MRAM器件10夾在字線20和數(shù)字線30之間。字線20和數(shù)字線30包括能通過電流的導電材料。在該圖中，字線20處在MRAM器件10的頂部，數(shù)字線30處在MRAM器件10的底部，且其方向與字線20成90°角(參看圖2)。
MRAM器件10包括第一磁區(qū)15，隧道勢壘16，和第二磁區(qū)17，其中隧道勢壘16夾在第一磁區(qū)15和第二磁區(qū)17之間。在優(yōu)選實施例中，磁區(qū)15包括三層結構18，其具有夾在兩個鐵磁層45和55之間的反鐵磁耦合間隔層65。反鐵磁耦合間隔層65具有厚度86，鐵磁層45和55分別具有厚度41和51。此外，磁區(qū)17具有三層結構19，其具有夾在兩個鐵磁層46和56之間的反鐵磁耦合間隔層66。反鐵磁耦合間隔層66具有厚度87，鐵磁層46和56分別具有厚度42和52。
通常，反鐵磁耦合間隔層65和66包括元素Ru，Os，Re，Cr，Rh，Cu或其組合物中的至少一種。另外，鐵磁層45，55，46和56包括元素Ni，F(xiàn)e，Mn，Co或其組合物中的至少一種。并且應該理解，除三層結構外，磁區(qū)15和17可包括其它合成反鐵磁層材料結構，在本實施例中使用三層結構僅出于說明的目的。例如，一種這樣的合成反鐵磁層材料結構可包括鐵磁層/反鐵磁耦合間隔層/鐵磁層/反鐵磁耦合間隔層/鐵磁層結構的五層堆疊。
鐵磁層45和55各自具有磁矩矢量57和53，通常通過反鐵磁耦合間隔層65的耦合使磁矩矢量57和53保持反平行。另外，磁區(qū)15具有合成磁矩矢量40，磁區(qū)17具有合成磁矩矢量50。合成磁矩矢量40和50都沿各向異性易磁化軸(easy-axis)取向，方向與字線20和數(shù)字線30成一角度，最好為45°(參看圖2)。此外，磁區(qū)15為自由鐵磁區(qū)，意指在施加磁場的情況下合成磁矩矢量40自由轉(zhuǎn)動。磁區(qū)17為栓固鐵磁區(qū)，意指在適當施加磁場的情況下合成磁矩矢量50不會自由轉(zhuǎn)動，并用作參考層。
雖然在每個三層結構18中反鐵磁耦合層被示出在兩個鐵磁層之間，然而應該理解，可通過其他手段，例如靜磁場或其他特性，將鐵磁層反鐵磁耦合。例如，當將單元的縱橫比減小至5或更小時，由靜磁通量閉包(magnetostatic flux closure)使鐵磁層反平行耦合。
在優(yōu)選實施例中，對于非圓形平面，MRAM器件10具有長/寬比在1至5范圍內(nèi)的三層結構18。不過，本說明的平面為圓形(參看圖2)。在優(yōu)選實施例中，MRAM器件10為圓形，以使由形狀各向異性對切換場的影響最小，另外還由于更易于使用光刻處理使器件橫向定標至更小尺寸。不過應該理解，MRAM器件10可具有其他形狀，如正方形，橢圓形，矩形，或菱形，但所示為圓形是出于簡單起見以及改善性能。
此外，在制造MRAM陣列3期間，順序沉積或按其他方式順序形成各個相繼層(即，30，55，65等)，可通過在半導體制造業(yè)已知的任何技術有選擇地沉積，光刻處理，刻蝕等來限定每個MRAM器件10。在至少對鐵磁層45和55的沉積過程中，提供磁場來對此雙層設置最佳易磁化軸(感應各向異性)。所提供的磁場對磁距矢量53和57產(chǎn)生最佳各向異性軸。選擇最佳軸在字線20和數(shù)字線30之間的45°角上，下面將會對此進行描述。
現(xiàn)參看圖2，圖2表示根據(jù)本發(fā)明的MRAM陣列3的簡化平面圖。為簡化MRAM器件10的描述，所有方向?qū)⒖妓緓-和y-坐標系100以及順時針旋轉(zhuǎn)方向94和逆時針旋轉(zhuǎn)方向96。為進一步簡化描述，再假設N等于2，使得MRAM器件10在具有磁矩矢量53和57以及合成磁矩矢量40的區(qū)15中包括一個三層結構。另外，由于將對區(qū)15的磁矩矢量進行切換，從而僅示出區(qū)15的磁矩矢量。
為說明寫入方法如何工作，假定磁矩矢量53和57的最佳各向異性軸的方向相對負x-和負y-方向成45°角，以及相對正x-和正y-方向成45°角。作為示例，圖2所示磁距矢量53的方向相對負x-和負y-方向成45°角。由于磁距矢量57通常與磁距矢量53反平行取向，從而其方向相對正x-和正y-方向成45°角。該最初取向?qū)⒂糜谡f明寫入方法的示例，下面將會對此進行描述。
在優(yōu)選實施例中，將字電流60定義為如果沿正x-方向流動則為正，將數(shù)字電流70定義為如果沿正y-方向流動則為正。字線20和數(shù)字線30的目的在于在MRAM器件10內(nèi)產(chǎn)生磁場。正字電流60將導致環(huán)形字磁場Hw80，正數(shù)字電流70將導致環(huán)形數(shù)字磁場HD90。由于字線20在MRAM器件10上方，在元件平面內(nèi)，對于正字電流60，將沿正y-方向?qū)w80施加給MRAM器件10。同樣，由于數(shù)字線30在MRAM器件10下方，在元件的平面內(nèi)，對于正數(shù)字電流70，將沿正x-方向?qū)D90施加給MRAM器件10。應該理解，對于正和負電流的定義是隨意的，此處定義出于說明目的。將電流流向反轉(zhuǎn)的效果是使在MRAM器件10中所導致的磁場的方向改變。電流導致的磁場的行為為本領域技術人員所熟知，在此不再做詳細描述。
現(xiàn)在參看圖3，圖3模擬了SAF三層結構的切換行為。該模擬包括兩個單疇磁層，其具有帶固有各向異性的近似相同的磁矩(近平衡SAF)，反鐵磁耦合，并且其磁化動態(tài)特性用Landau-Lifshitz(郎道-利夫施特茲)方程來描述。x-軸是以奧斯特(Oersted)為單位的字線磁場幅度，y-軸是以奧斯特為單位的數(shù)字線磁場幅度。以如圖4所示脈沖序列100施加磁場，其中，脈沖序列100包括作為時間的函數(shù)的字電流60和數(shù)字電流70。
如圖3所示，具有三個操作區(qū)域。在區(qū)域92中沒有切換。對于在區(qū)域95中的MRAM操作，直接寫入方法有效。當使用直接寫入方法時，無需確定MRAM器件的初始狀態(tài)，這是由于若進行寫入的狀態(tài)不同于存儲的狀態(tài)，則僅僅切換狀態(tài)。寫入狀態(tài)的選擇是由字線20和數(shù)字線30兩者中的電流方向來確定。例如，如果要寫入’1’，則在兩個線中的電流方向?qū)檎?。如果在元件中已存儲?’且進行’1’的寫入，則MRAM器件的最終狀態(tài)將繼續(xù)為’1’。此外，如果存儲了’0’且以正電流進行’1’的寫入；則MRAM器件的最終狀態(tài)將為’1’。當通過使用在字和數(shù)字線兩者之中的負電流寫入’0’時會獲得相似效果。因此，無論其初始狀態(tài)如何，以適當?shù)碾娏髅}沖極性，任何一種狀態(tài)都可以編程為所需的’1’或’0’。在本說明中，將區(qū)域95中的操作定義為“直接寫入模式”。
對于區(qū)域97中的MRAM操作而言，觸發(fā)寫入方法有效。當使用觸發(fā)寫入方法時，在寫入之前需要確定MRAM器件的初始狀態(tài)，這是由于每次對MRAM器件寫入時都對狀態(tài)進行切換，而無論電流方向如何，只要對于字線20和數(shù)字線30兩者選擇相同極性的電流脈沖即可。例如，如果最初存儲’1’，則在一個正電流脈沖序列流經(jīng)字和數(shù)字線之后，器件的狀態(tài)將被切換到’0’。在所存儲的’0’狀態(tài)上重復正電流脈沖序列，會將其寫回至’1’。因此，為了能將存儲元件寫成所需狀態(tài)，必須首先讀出MRAM器件10的初始狀態(tài)，并且將其與所要寫入的狀態(tài)進行比較。讀出和比較可能需要附加的邏輯電路，包括用于存儲信息的緩沖器和用于比較存儲狀態(tài)的比較器。從而，僅當所存儲的狀態(tài)與所要寫入狀態(tài)不同時才對MRAM器件10寫入。這種方法的一個優(yōu)點在于功耗降低，這是由于僅切換不同的位。使用觸發(fā)寫入方法的另一優(yōu)點在于，僅需要單極性電壓，從而可使用較小的N溝道晶體管來驅(qū)動MRAM器件。在本說明中，將區(qū)域97中的操作定義為“觸發(fā)寫入模式”。
兩種寫入方法都涉及在字線20與數(shù)字線30中提供電流，使得磁矩矢量53和57能夠沿如前面所述兩個最佳方向之一取向。為了充分說明這兩種切換模式，現(xiàn)給出描述磁距矢量53，57和40隨時間變化的具體示例。
現(xiàn)參考圖5，圖5說明了使用脈沖序列100將’1’寫成’0’的觸發(fā)寫入模式。在該圖中的時刻t0，磁距矢量53和57沿圖2所示最佳方向取向。將該取向?qū)⒍x為’1’。
在時刻t1，接通正字電流60，它致使Hw80指向正y-方向。正Hw80的作用將使近平衡反向?qū)实腗RAM三層進行“翻轉(zhuǎn)(FLOP)”，并變?yōu)榕c所施加磁場方向成近似90°的取向。鐵磁層45與55之間的有限反鐵磁交換相互作用將允許磁矩矢量53和57即刻朝磁場方向偏轉(zhuǎn)一小角度，并且合成磁距矢量40將對分磁距矢量53與57之間夾角，并將與Hw80對準。因此，磁距矢量53沿順時針方向94旋轉(zhuǎn)。由于合成磁矩矢量40是磁距矢量53與57的矢量和，磁距矢量57也沿順時針方向94旋轉(zhuǎn)。
在時刻t2，接通正數(shù)字電流70，它導致正HD90。從而，合成磁矩矢量40同時由Hw80指向正y-方向，由HD90指向正x-方向，其作用是使有效磁距矢量40進一步沿順時針方向94旋轉(zhuǎn)，直至其通常指向正x-和正y-方向之間成45°角的取向。因此，磁距矢量53和57也沿順時針方向94進一步旋轉(zhuǎn)。
在時刻t3，切斷字電流60，使得此時僅有HD90指引合成磁矩矢量40，此時合成磁矩矢量40將沿正x-方向取向。兩個磁距矢量53和57現(xiàn)在通常都將以通過其各向異性不易磁化軸不穩(wěn)定點的角度取向。
在時刻t4，切斷數(shù)字電流70，因此磁場力對合成磁矩矢量40不起作用。從而，磁距矢量53和57將沿其最接近的最佳方向取向，以使各向異性能量最小。在此情形中，磁距矢量53的最佳方向為相對正y-方向和正x-方向成45°角。該最佳方向也與時刻t0時磁距矢量53的初始方向成180°角，并將其定義為’0’。從而，MRAM器件10已被切換至’0’。應該理解，也可通過在字線20與數(shù)字線30中均使用負電流，使磁距矢量53，57和40沿逆時針方向96旋轉(zhuǎn)而對MRAM器件10進行切換，不過所示僅出于說明目的。
現(xiàn)看圖6，圖6說明使用脈沖序列100將’0’寫成’1’的觸發(fā)寫入模式。所示為在各個時刻t0，t1，t2，t3和t4時磁距矢量53和57以及合成磁矩矢量40，如前面所述，表示使用相同電流和磁場方向?qū)RAM器件10從’0’切換到’1’的狀態(tài)的能力。從而，通過觸發(fā)寫入模式寫入MRAM器件10的狀態(tài)，其對應于圖3中的區(qū)域97。
對于直接寫入模式，假設磁距矢量53的幅值大于磁距矢量57，則磁距矢量40與磁距矢量53指向相同的方向，不過在零場中具有更小幅值。這種不平衡磁矩使偶極子能量破壞近平衡SAF的對稱性，偶極子能量傾向于使總磁矩對準所施加的場。因此，對于給定電流極性，可以僅在一個方向發(fā)生切換。
現(xiàn)參看圖7，圖7表示使用脈沖序列100利用直接寫入模式將’1’寫成’0’的示例。此處同樣地，存儲狀態(tài)最初為’1’，磁距矢量53的指向相對負x-和負y-方向成45°，磁距矢量57的指向相對正x-和正y-方向成45°。按照前面通過正字電流60和正數(shù)字電流70所述的脈沖序列，通過與前面所述觸發(fā)寫入模式相似的方式進行寫入。注意，在時刻t1，磁矩再次“翻轉(zhuǎn)”，但由于不平衡磁矩以及各向異性，最終角度偏離90°。在時刻t4之后，MRAM器件10已被切換至’0’狀態(tài)，且合成磁矩40按所需與正x-和正y-方向成45°角取向。當將’0’寫成’1’時會獲得類似的結果，只是使用負字電流60和負數(shù)字電流70。
現(xiàn)參看圖8，圖8表示當新狀態(tài)與已存儲的狀態(tài)相同時利用直接寫入模式進行寫入的示例。在此示例中，在MRAM器件10中已存儲了’0’，且現(xiàn)在重復電流脈沖序列100以存儲’0’。在時刻t1，磁距矢量53和57試圖“翻轉(zhuǎn)”，但由于不平衡磁矩必須與施加磁場相抗而起作用，從而削弱了旋轉(zhuǎn)。因此，存在附加的能量勢壘使以旋轉(zhuǎn)脫離相反狀態(tài)。在時刻t2，主磁矩53幾乎與正x-軸對準，與距其初始各向異性方向成小于45°的角度。在時刻t3，磁場沿正x-軸取向。不是進一步順時針地旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)現(xiàn)在通過改變相對于所施加場對稱的SAF磁矩來降低其能量。被動磁矩57越過x-軸，主磁矩53返回到接近其最初方向，系統(tǒng)獲得穩(wěn)定。因此，在時刻t4，當去除磁場時，在MRAM器件10中所存儲的狀態(tài)將保持’0’。該序列說明了在圖3中如區(qū)域95所示的直接寫入模式的機制。因此，一般而言，為寫入’0’，需要在字線60和數(shù)字線70兩者中流過正電流，相反，為寫入’1’，需要在字線60和數(shù)字線70兩者中流過負電流。
如果施加更大的場，最終，與翻轉(zhuǎn)相關地，能量減少，并且剪取值(scissor)超過正阻止觸發(fā)事件出現(xiàn)的不平衡磁矩的偶極子能量所產(chǎn)生的附加能量勢壘。此時，將出現(xiàn)觸發(fā)事件，切換如區(qū)域97所述。
可對應用直接寫入模式的區(qū)域95進行擴展，即，可將觸發(fā)模式區(qū)域97移至更高磁場，如果時刻t3和t4相同或盡可能接近相同的話。在此情形中，當接通字電流60時，磁場方向開始時相對于位各向異性軸成45°，然后，當接通數(shù)字電流70時，其移至平行于位各向異性軸的方向。該示例類似于典型的磁場施加序列。不過，在此基本上同時切斷字電流60和數(shù)字電流70，使得磁場方向不再做任何旋轉(zhuǎn)。因此，所施加的場必須足夠大，使得通過接通字電流60和數(shù)字電流70致使合成磁矩矢量40已移過其不易磁化軸不穩(wěn)定點。現(xiàn)在，由于磁場方向僅旋轉(zhuǎn)45°，而不是以前的90°，從而更不可能出現(xiàn)觸發(fā)寫入模式事件。具有基本一致的衰退時間t3和t4的優(yōu)點在于，對場上升時間t1和t2的次序不具有任何附加限制。從而，可按任何次序接通磁場，或還可使其基本一致。
由于只有在時刻t2和時刻t3之間接通字電流60和數(shù)字電流70的MRAM器件將切換狀態(tài)，從而前述寫入方法具有高度選擇性。在圖9和圖10中說明了該特性。圖9表示當斷開字電流60并且接通數(shù)字電流70時的脈沖序列100。圖10表示MRAM器件10的狀態(tài)的相應行為。在時刻t0，磁距矢量53和57以及合成磁矩矢量40的取向如圖2所示。在脈沖序列100中，在時刻t1，接通數(shù)字電流70。此時，HD90將致使合成磁矩矢量40指向正x-方向。
由于字電流60從未接通，合成磁矩矢量53和57從未轉(zhuǎn)過其各向異性不易磁化軸不穩(wěn)定點。結果，當在時刻t3切斷數(shù)字電流70時，磁距矢量53和57將重新將其定向在最接近的最佳方向，在此情形為時刻t0處的初始方向。因此，不會切換MRAM器件10的狀態(tài)。應該理解，如果在與上述相似的時刻接通字電流60并且數(shù)字電流70不被接通，將出現(xiàn)同樣的結果。該特性確保僅對陣列中的一個MRAM器件進行切換，而其他器件保持其初始狀態(tài)。從而，避免無意的切換，并使位差錯率最小。
對本領域技術人員而言，會易于想到此處所述實施例的多種改變和變型。在這些改變和變型并不偏離本發(fā)明實質(zhì)的前提下，期望將它們包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，并僅通過后面權利要求的合理解釋進行評定。
以上通過如此清晰和簡明的術語充分描述了本發(fā)明，從而本領域技術人員能夠理解以及實現(xiàn)本發(fā)明，本發(fā)明權利要求為。
權利要求
1.一種切換磁電阻存儲器件的方法，包括步驟提供與第一導體和第二導體鄰近的磁電阻元件，其中，磁電阻存儲元件包括通過隧道勢壘分隔的第一磁區(qū)和第二磁區(qū)，第一磁區(qū)和第二磁區(qū)中的至少一個包括N個反鐵磁耦合的鐵磁材料層，其中，N為至少等于2的整數(shù)，且其中各層具有經(jīng)過調(diào)整以提供寫入模式的磁矩，而且第一和第二磁區(qū)中的每個具有鄰近隧道勢壘且在時刻t0取向在最佳方向的磁距矢量；在時刻t1，接通流過第一導體的第一電流；在時刻t2，接通流過第二導體的第二電流；在時刻t3，切斷流過第一導體的第一電流；和在時刻t4，切斷流過第二導體的第二電流，以使接近隧道勢壘的磁距矢量中的一個沿不同于時刻t0的初始最佳方向的方向取向。
2.如權利要求1所述切換磁電阻存儲器件的方法，其中，第一和第二磁區(qū)中的一個的子層磁矩分數(shù)平衡比處在范圍0≤|Mbr|≤0.1內(nèi)。
3.如權利要求1所述切換磁電阻存儲器件的方法，其中，時刻t0，t1，t2，t3和t4為t0＜t1＜t2＜t3＜t4。
4.如權利要求1所述切換磁電阻存儲器件的方法，還包括將第一和第二導體以彼此相對90°角取向的步驟。
5.如權利要求1所述切換磁電阻存儲器件的方法，還包括將時刻t0的最佳方向設置成與第一和第二導體成非零角度的步驟。
6.如權利要求1所述切換磁電阻存儲器件的方法，其中，分別接通第一和第二導體中的第一和第二電流的步驟包括使用足夠大的，致使磁電阻存儲元件發(fā)生切換的組合電流幅值。
7.如權利要求1所述切換磁電阻存儲器件的方法，其中，N個鐵磁材料層被反鐵磁耦合材料分隔以提供反鐵磁耦合。
8.如權利要求7所述切換磁電阻存儲器件的方法，其中，提供磁電阻存儲元件的步驟包括，在反鐵磁耦合材料中使用Ru，Os，Re，Cr，Rh和Cu中的至少之一，或其組合物和化合物。
9.如權利要求7所述切換磁電阻存儲器件的方法，其中，反鐵磁耦合材料的厚度在4至30的范圍內(nèi)。
10.如權利要求1所述切換磁電阻存儲器件的方法，其中，提供磁電阻存儲元件的步驟包括，在鐵磁材料中使用Ni，F(xiàn)e，Mn，Co和其組合物中的至少一種。
11.如權利要求10所述切換磁電阻存儲器件的方法，其中，提供磁電阻存儲元件的步驟包括，對N個鐵磁材料層中的每個提供15和100之間的厚度。
12.如權利要求1所述切換磁電阻存儲器件的方法，還包括提供具有基本為圓形的橫截面的磁電阻存儲元件的步驟。
13.如權利要求1所述切換磁電阻存儲器件的方法，還包括步驟通過增大N，以使體積保持基本恒定或者增大，并且使得當將磁電阻存儲元件橫向定標到更小尺寸時，第一和第二磁區(qū)之一的磁矩分數(shù)平衡比保持恒定，從而對體積定標。
14.如權利要求1所述切換磁電阻存儲器件的方法，還包括步驟調(diào)節(jié)N個層的磁距，使得當器件橫向定標到更小尺寸時切換磁距矢量所需的磁場保持基本恒定。
15.如權利要求1所述切換磁電阻存儲器件的方法，其中，提供寫入模式的步驟包括步驟調(diào)節(jié)N個層中的各層的磁矩以在工作電流上提供直接寫入模式，使得以正極性為第一和第二導體中的電流提供脈沖，從而寫入一狀態(tài)，以及以負極性為第一和第二導體兩者中的電流提供脈沖，從而使狀態(tài)反轉(zhuǎn)。
16.如權利要求15所述切換磁電阻存儲器件的方法，其中，時間t3近似等于t4，使得在工作電流下該磁電阻存儲器件工作于直接寫入模式。
17.如權利要求16所述切換磁電阻存儲器件的方法，其中，時間t1近似等于t2，使得在工作電流下該磁電阻存儲器件工作于直接寫入模式。
18.如權利要求1所述切換磁電阻存儲器件的方法，其中，提供寫入模式的步驟包括步驟調(diào)節(jié)N個層中各層的磁矩以在工作電流下提供觸發(fā)寫入模式，使得以相同極性為第一和第二導體中的電流提供脈沖，從而寫入一狀態(tài)，以及以相同極性為第一和第二導體兩者中的電流提供脈沖，從而使狀態(tài)反轉(zhuǎn)。
19.如權利要求18所述切換磁電阻存儲器件的方法，還包括步驟在接通和切斷第一和第二電流的步驟之前讀取磁電阻存儲器件以獲得所存儲的信息，并將所存儲的信息與所要寫入的編程信息進行比較。
20.如權利要求18所述切換磁電阻存儲器件的方法，還包括步驟通過使用單極方向電流提供第一和第二電流。
21.一種切換磁電阻存儲器件的方法，包括步驟提供與第一導體和第二導體鄰近的磁電阻存儲器元件，其中，磁電阻存儲器元件包括被隧道勢壘分隔的栓固磁區(qū)和自由磁區(qū)，自由磁區(qū)包括N個反鐵磁耦合的鐵磁材料層，其中，N為大于或等于2的整數(shù)，且其中該N個層限定一體積，N個層中各層具有經(jīng)過調(diào)整以提供寫入模式的磁矩，而且其中第一和第二磁區(qū)之一的子層磁矩分數(shù)平衡比在范圍0≤|Mbr|≤0.1內(nèi)，且自由磁區(qū)具有接近隧道勢壘，沿在t0時刻的最佳方向取向的磁距矢量；以及在時刻t1向第一和第二導體之一提供字電流脈沖，并在時刻t3切斷字電流脈沖，而在時刻t2另外將數(shù)字線電流脈沖提供給第一與第二導體中的另一個，并且在時刻t4切斷數(shù)字線電流脈沖，其中t0＜t1＜t2＜t3＜t4，使得在時刻t4時靠近隧道勢壘的自由磁區(qū)的磁距矢量的取向不同于時刻t0時的初始最佳方向。
22.一種切換磁電阻器件的方法，包括步驟提供與第一導體和第二導體鄰近的磁電阻器元件，其中，磁電阻器件包括被隧道勢壘分隔的自由磁區(qū)和固定磁區(qū)，自由磁區(qū)包括限定一體積的N層合成反鐵磁結構，其中，N為大于或等于2的整數(shù)，N層合成反鐵磁結構包括反鐵磁耦合的鐵磁層，其具有靠近隧道勢壘，在時刻t0沿最佳方向取向的磁距矢量，并且調(diào)整N層合成反鐵磁結構以提供觸發(fā)寫入模式；讀出磁電阻存儲器件的初始狀態(tài)，并將該初始狀態(tài)與將要存儲在該磁電阻存儲器件中的新狀態(tài)進行比較；以及僅當初始狀態(tài)與將要存儲的新狀態(tài)不同時，在時刻t1將字電流脈沖提供給第一和第二導體之一，并在時刻t3切斷字電流脈沖，而在時刻t2另外將數(shù)字線電流脈沖提供給第一和第二導體中的另一個，并在時刻t4切斷數(shù)字線電流脈沖。
全文摘要
一種切換可伸縮磁電阻存儲器單元(10)的方法，包括提供夾在字線(20)與數(shù)字線(30)之間的磁電阻存儲器件(3)，以使在各個時刻能夠?qū)㈦娏鞑ㄐ翁峁┙o字線和數(shù)字線，使磁場通量將該器件的有效磁距矢量旋轉(zhuǎn)大約180°。該磁電阻存儲器件包括N個反鐵磁耦合的鐵磁層?？梢哉{(diào)整N來改變該器件的磁切換體積。
文檔編號G11C11/16GK1610949SQ02822705
公開日2005年4月27日 申請日期2002年9月24日 優(yōu)先權日2001年10月16日
發(fā)明者利奧尼德·薩維特申科, 布拉德利·N.·恩格爾, 尼古拉斯·D.·里佐, 馬克·F.·德埃爾, 賈森·阿倫·賈尼斯克 申請人:自由度半導體公司