專利名稱：用于轉(zhuǎn)換具低電流的磁阻式隨機存取存儲器的磁矩的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種寫入磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的方法。
背景技術(shù)：
已提出磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)作為如靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)、動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)和閃存的常規(guī)存儲器裝置的替代物。MRAM使用磁阻效應(yīng)存儲數(shù)據(jù)，磁阻效應(yīng)指其中材料的電阻隨所述材料所承受的磁場而變化的現(xiàn)象。與這些常規(guī)存儲器相比，MRAM由于其速度快、集成密度高、功率消耗低、耐輻射(radiation hardness)和耐久性而是有利的。
Savtchenko等人的第6,545,906號美國專利揭示了一種常規(guī)的MRAM和其寫入方法。第6,545,906號美國專利的圖1-4、圖7-8、圖5-6在本文中分別再現(xiàn)為圖1-8。
圖1顯示MRAM陣列3的存儲器單元10。存儲器單元10夾在字線20與數(shù)字線30之間。字線20和數(shù)字線30彼此正交，并包括導(dǎo)電材料使得電流可從其通過。
存儲器單元10包括第一磁性區(qū)域15、穿隧障壁(tunneling barrier)16和第二磁性區(qū)域17，其中穿隧障壁16夾在第一磁性區(qū)域15與第二磁性區(qū)域17之間。第一磁性區(qū)域15具有合成反鐵磁(synthetic anti-ferromagnetic，SAF)結(jié)構(gòu)并包括一個三層結(jié)構(gòu)18，反鐵磁耦合間隔層65夾在兩個鐵磁層45與55之間。反鐵磁耦合間隔層65具有厚度86，且鐵磁層45和55分別具有厚度41和51。第二磁性區(qū)域17具有一個三層結(jié)構(gòu)19，反鐵磁耦合間隔層66夾在兩個鐵磁層46與56之間。反鐵磁耦合間隔層66具有厚度87，且鐵磁層46和56分別具有厚度42和52。反鐵磁耦合間隔層65的厚度86使得鐵磁層45和55反鐵磁耦合，即，鐵磁層45的磁矩向量57與鐵磁層55的磁矩向量53彼此反平行。類似地，反鐵磁耦合間隔層66的厚度87使得鐵磁層46和56反鐵磁耦合，即，鐵磁層46的磁矩向量58與鐵磁層56的磁矩向量59彼此反平行。圖1還顯示磁性區(qū)域15的合磁矩向量40，即鐵磁層45的磁矩向量57與鐵磁層55的磁矩向量53的結(jié)合；和磁性區(qū)域17的合磁矩向量50，即鐵磁層46的磁矩向量58與鐵磁層56的磁矩向量59的結(jié)合。
圖2顯示相對于字線20和數(shù)字線30的方向的存儲器單元10中的磁矩。在圖2中，顯示字線20沿x軸水平運行，且顯示數(shù)字線30沿y軸垂直運行。三層結(jié)構(gòu)18具有兩個易軸與正x軸方向和正y軸方向兩者成45°角的正易軸(positive easy axis)；和與負x軸方向和負y軸方向兩者成45°角的負易軸(negative easy axis)。易軸被界定為在缺少外磁場或偏壓場(biasing field)的情況下一種各向異性材料的磁偶極矩的固有定向。因此，鐵磁層45的磁矩向量57處于正易軸方向，且鐵磁層55的磁矩向量53處于負易軸方向。因此，磁性區(qū)域15的合磁矩向量40處于正易軸方向或負易軸方向。圖2顯示磁性區(qū)域15的合磁矩向量40處于負易軸方向。盡管圖2中未顯示，但假設(shè)鐵磁層46的磁矩向量58處于負易軸方向，鐵磁層56的磁矩向量59處于正易軸方向，且磁性區(qū)域17的合磁矩向量50處于負易軸方向。
一般而言，磁性區(qū)域15為自由鐵磁區(qū)域(free ferromagnetic region)，且磁性區(qū)域17為釘扎鐵磁區(qū)域(pinned ferromagnetic region)，即，當施加外磁場時，磁性區(qū)域15中的磁矩自由旋轉(zhuǎn)，而當施加中等的外磁場時，磁性區(qū)域17中的磁矩不旋轉(zhuǎn)。
穿隧障壁16的電子穿隧障壁和因此存儲器單元10的電阻隨磁場變化。例如，當鐵磁層55的磁矩向量53與鐵磁層46的磁矩向量58彼此平行時，穿隧障壁16具有低電子穿隧障壁，且存儲器單元10具有低電阻。當鐵磁層55的磁矩向量53與鐵磁層46的磁矩向量58彼此反平行時，穿隧障壁16具有高電子穿隧障壁，且存儲器單元10具有高電阻。因此，通過改變磁性區(qū)域15的磁矩向量，可將位數(shù)據(jù)存儲在存儲器單元10中，其高和低電阻分別界定位“1”或“0”，或相反。
為了讀取存儲器單元10，可將電壓施加于存儲器單元10上，并感測通過其的電流。存儲器陣列3可包括至少一個具有與存儲器單元10相同的結(jié)構(gòu)的參照存儲器單元。所述參照存儲器單元可具有以某一方式設(shè)置且在存儲器陣列3的操作期間未改變的磁矩?？蓪⑹┘佑诖鎯ζ鲉卧?0上的相同電壓施加于所述參照存儲器單元，并感測通過所述參照存儲器單元的電流，且將所述電流用作參照電流。接著，將通過存儲器單元10的電流與參照電流比較，且差異指示存儲器單元10是否具有存儲在其中的“0”或“1”。
提供于字線20和數(shù)字線30中的電流感應(yīng)磁場。例如，參照圖1和圖2，通過字線20的字電流60(IW)感應(yīng)字磁場80(HW)，且通過數(shù)字線30的數(shù)字電流70(ID)感應(yīng)數(shù)字磁場90(HD)。磁場HW和HD的強度分別與字電流IW和數(shù)字電流ID成比例。假設(shè)字線20在存儲器單元10之上，且數(shù)字線30則在存儲器單元10之下。因此，當字電流IW為正時，HW在存儲器單元10的平面中處于正y軸方向；當數(shù)字電流ID為正時，HD在存儲器單元10的平面中處于正x軸方向。
在磁場HW和HD下，鐵磁層45和55中的電子自旋翻轉(zhuǎn)(稱為“自旋翻轉(zhuǎn)(spin flop)”)，且磁矩向量57和53可旋轉(zhuǎn)。因此，合磁矩向量40也旋轉(zhuǎn)，當合磁矩向量40旋轉(zhuǎn)180°時，鐵磁層55的磁矩向量53和鐵磁層46的磁矩向量58彼此反平行，且存儲器單元10敘述為從“0”轉(zhuǎn)換到“1”或從“1”轉(zhuǎn)換到“0”，這取決于如何界定“0”和“1”。
圖3顯示不同磁場HW和HD下的三層結(jié)構(gòu)18的模擬轉(zhuǎn)換行為，其中HW和HD由圖4中所示的序列100提供的字電流IW的脈沖和數(shù)字電流ID的脈沖產(chǎn)生。特定而言，如圖4中所示，在時間t0，IW和ID均為0；在時間t1，供應(yīng)IW；在時間t2，也供應(yīng)ID；在時間t3，關(guān)閉IW；在時間t4，也關(guān)閉ID。在圖3中，x軸為以奧斯特計的字磁場HW的振幅，且y軸為以奧斯特計的數(shù)字磁場HD的振幅。
圖3顯示存儲器單元10的三個操作區(qū)域。首先，在“非轉(zhuǎn)換”區(qū)域92中，IW和ID中的一個或兩個較小，且HW和HD的相應(yīng)的一個或兩個較弱。存儲器單元10不轉(zhuǎn)換狀態(tài)。
存儲器單元10的第二操作區(qū)域稱為“直接”寫入?yún)^(qū)域，其中IW和ID較大，且HW和HD較強。當以序列100施加時，IW和ID直接寫入存儲器單元10。例如，如果IW和ID為正，那么以序列100提供IW和ID后，將位“1”寫入存儲器單元10，而不管存儲器單元的初始狀態(tài)是“0”還是“1”。類似地，如果IW和ID為負，那么以序列100提供IW和ID后，將位“0”寫入存儲器單元10。在直接寫入的情況下，磁矩向量53與57(即，合磁矩向量40)之間的不平衡較顯著。
圖5a-5e和圖6a-6e說明直接寫入存儲器單元10的實例。
圖5a-5e說明通過施加正字電流IW和正數(shù)字電流ID直接將“1”寫入具有初始狀態(tài)“0”的存儲器單元10的實例。假設(shè)鐵磁層55的磁矩向量53處于負易軸方向，那么鐵磁層45的磁矩向量57處于正易軸方向，且磁矩向量53比磁矩向量57強。也假設(shè)鐵磁層46的磁矩向量58處于負易軸方向，那么鐵磁層56的磁矩向量59處于正易軸方向，且磁矩向量58比磁矩向量59強。進一步假設(shè)，當鐵磁層55的磁矩向量53與鐵磁層46的磁矩向量58彼此平行時，存儲器單元10具有存儲在其中的位“0”，且當鐵磁層55的磁矩向量53與鐵磁層46的磁矩向量58彼此反平行時，存儲器單元10具有存儲在其中的位“1”。
如圖5a所示，在時間t0，鐵磁層45的磁矩向量57處于正易軸方向。鐵磁層55的磁矩向量53處于負易軸方向。因為假設(shè)磁矩向量53比磁矩向量57強，所以合磁矩向量40也處于負易軸方向。存儲器單元10使位“0”存儲于其中。
參照圖5b，在時間t1提供字電流IW，在正y軸方向產(chǎn)生字磁場HW。因為磁矩易于與外磁場對準以降低系統(tǒng)的能量，所以磁矩向量53和57易于朝向HW的方向(即，正y軸方向)旋轉(zhuǎn)。然而，由于鐵磁層45與55之間的反鐵磁耦合，且還由于磁矩向量53比磁矩向量57強的事實，所以磁矩向量53和57以順時針方向旋轉(zhuǎn)，合磁矩向量40朝向外磁場的磁矩向量的方向(即，正y軸方向)旋轉(zhuǎn)。
參看圖5c，在時間t2提供正數(shù)字電流ID，從而在正x軸方向產(chǎn)生數(shù)字磁場HD。假設(shè)HW與HD具有相同的量值，那么整個外磁場的磁場向量處于正易軸方向。由于上述相同原因，磁矩向量53和57以順時針方向進一步旋轉(zhuǎn)，且合磁矩向量40朝向外磁場的磁矩向量的方向旋轉(zhuǎn)。
參看圖5d，在時間t3關(guān)閉字電流IW。外磁場在正x軸方向僅具有一個分量，即HD。磁矩向量53和57及合磁矩向量40進一步以順時針方向旋轉(zhuǎn)。磁矩向量53現(xiàn)在較接近正易軸，且磁矩向量57較接近負易軸。合磁矩向量40接近正x軸。
最后，如圖5e所示，在時間t4也關(guān)閉數(shù)字電流ID。外磁場為零。磁矩向量53和57與易軸對準，因為在時間t4之前，磁矩向量53較接近正易軸，且磁矩向量57較接近負易軸，所以磁矩向量53與正易軸對準，且磁矩向量57與負易軸對準。換句話說，磁矩向量53和57從其在圖5a中的初始狀態(tài)旋轉(zhuǎn)了180°。結(jié)果，磁矩向量53與鐵磁層46的磁矩向量58反平行，且將位“1”寫入存儲器單元10。
圖6a-6e說明直接將“1”寫入具有初始狀態(tài)“1”的存儲器單元10的實例。如圖6a所示，在時間t0，磁矩向量53處于正易軸方向。磁矩向量57處于負易軸方向。合磁矩向量40處于正易軸方向。存儲器單元10使位“1”存儲于其中。
如圖6b所示，在時間t1提供字電流IW，從而在正y軸方向產(chǎn)生字磁場HW。因為磁矩向量53較強，所以將僅存在磁矩向量53和57的最小順時針旋轉(zhuǎn)。但是合磁矩向量40朝向HW逆時針旋轉(zhuǎn)。
如圖6c所示，在時間t2提供正數(shù)字電流ID，從而在正x軸方向產(chǎn)生數(shù)字磁場HD。磁矩向量53和57以順時針方向旋轉(zhuǎn)，且合磁矩向量40以處于正易軸方向的外磁場的磁場向量的方向旋轉(zhuǎn)。
如圖6d所示，在時間t3關(guān)閉字電流IW。外磁場在正x軸方向僅具有一個分量，即HD。合磁矩向量40進一步朝向HD順時針旋轉(zhuǎn)。因為在時間t4之前，磁矩向量53較接近正易軸，且磁矩向量57較接近負易軸，所以磁矩向量53朝向正易軸逆時針旋轉(zhuǎn)，且磁矩向量57朝向負易軸逆時針旋轉(zhuǎn)。
接著，如圖6e所示，當在時間t4也關(guān)閉數(shù)字電流ID時，磁矩向量53和57返回到其原始狀態(tài)并沿易軸對準。結(jié)果，將位“1”寫入存儲器單元10中。
可提供負電流IW和ID以將位“0”寫入存儲器單元10中。除磁矩的極性相反之外，在直接寫入位“0”期間，存儲器單元10的行為類似于上文參看圖5a-5e和圖6a-6e所描述的那些行為，且因此在本文中未加描述。
當IW和ID更大且HW和HD更強時，如圖3所示，存儲器單元10在稱作“切換(toggle)”區(qū)域97的第三區(qū)域中操作。當以序列100提供較大正電流IW和ID時，存儲器單元10的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即初始狀態(tài)“0”轉(zhuǎn)換為“1”，且初始狀態(tài)“1”轉(zhuǎn)換為“0”。所述寫入方法稱為“切換寫入”。在切換寫入的情況下，因為提供較強的HW和HD，所以磁矩向量53與57(即，合磁矩向量40)之間的不平衡不顯著或微弱。
圖7a-7e說明切換寫入具有初始狀態(tài)“1”的存儲器單元10的實例。
如圖7a所示，在時間t0，鐵磁層55的磁矩向量53處于正易軸方向。鐵磁層45的磁矩向量57處于負易軸方向。微弱的合磁矩向量40處于正易軸方向。存儲器單元10使位“1”存儲于其中。
如圖7b所示，在時間t1提供正字電流IW，從而在正y軸方向產(chǎn)生較強的字磁場HW。因為HW很強，所以磁矩向量53和57順時針旋轉(zhuǎn)，且合磁矩向量40與HW的方向大體對準。特定而言，磁矩向量53和57現(xiàn)在指向x軸上方。
如圖7c所示，在時間t2提供正數(shù)字電流ID，從而在正x軸方向產(chǎn)生較強的數(shù)字磁場HD。磁矩向量53和57以順時針方向進一步旋轉(zhuǎn)，且合磁矩向量40與處于正易軸方向的外磁場的磁場向量的方向大體對準。磁矩向量53現(xiàn)在處于正x軸與正x軸與負y軸之間的角的平分線之間。磁矩向量57現(xiàn)在處于正y軸與負x軸與正y軸之間的角的平分線之間。
如圖7d所示，在時間t3關(guān)閉字電流IW。外磁場在正x軸方向僅具有一個分量，即HD。合磁矩向量40大體上與HD對準。磁矩向量53和57進一步以順時針方向旋轉(zhuǎn)。磁矩向量53現(xiàn)在較接近負易軸。磁矩向量57現(xiàn)在較接近正易軸。
接著，如圖7e所示，在時間t4也關(guān)閉數(shù)字電流ID。因為在時間t4之前，磁矩向量53較接近負易軸，且磁矩向量57較接近正易軸，所以磁矩向量53與負易軸對準，且磁矩向量57與正易軸對準。結(jié)果將位“0”寫入存儲器單元10中。
當存儲器單元10具有初始狀態(tài)“0”時，具有較大正電流IW和ID的切換寫入將位“1”寫入存儲器單元10中。圖8a-8e顯示當如圖4中所示以序列100提供IW和ID時，磁矩向量40、53和57隨時間的變化。除磁矩的極性相反之外，在切換寫入位“1”期間，存儲器單元10的行為類似于上文參看圖7a-7e所描述的那些行為，且因此在本文中未加描述。
因為在切換寫入期間，存儲器單元10的狀態(tài)總是變化，所以在執(zhí)行切換寫入之前必須讀取存儲器單元10的初始狀態(tài)，并將其與待寫入的狀態(tài)比較。如果初始狀態(tài)與待寫入的數(shù)據(jù)相同，那么不需要切換寫入。如果初始狀態(tài)與待寫入的數(shù)據(jù)不同，那么執(zhí)行切換寫入。因此，如與直接寫入相比，切換寫入需要額外的邏輯電路。然而，因為當所述存儲器單元的狀態(tài)需要變化時，切換寫入僅寫入存儲器單元，所以切換寫入消耗較少的功率。
因為切換寫入需要較強的外磁場HW和HD，所以需要較大的寫入電流。為減輕這一問題，Engel等人在第6,633,498號美國專利中提出了調(diào)整磁性區(qū)域17的磁矩向量50的量值以產(chǎn)生邊緣(fringe)(或雜散(stray))磁場作為三層結(jié)構(gòu)18中的偏壓磁場HBIAS，使得僅較低的磁場HW和HD需要切換寫入存儲器單元10。第6,663,498號美國專利的圖4和圖5在本文中再現(xiàn)為圖9和圖10。如圖9和圖10所示，如果正HW和HD用于寫入存儲器單元10，那么處于正x軸方向與正y軸方向之間的方向的偏壓磁場HBIAS降低所需的HW和HD的值。類似地，如果負HW和HD用于寫入存儲器單元10，那么處于負x軸方向與負y軸方向之間的方向的偏壓磁場HBIAS降低所需的HW和HD的值。因此，需要較低的電流IW和ID。所述偏壓磁場HBIAS越強，電流IW和ID可越低。
然而，較強的HBIAS可導(dǎo)致寫入失敗。特定而言，當HBIAS較強時，鐵磁層45和55的末端域(end domain)的磁化不規(guī)則，且存儲器單元10可能不能響應(yīng)寫入電流IW和ID而轉(zhuǎn)換。圖11a-11e說明當HBIAS較強時切換寫入方法不能將位“1”寫入具有初始狀態(tài)“0”的存儲器單元10中的實例。
圖11a顯示在時間t0時存儲器單元10的狀態(tài)。在正易軸方向產(chǎn)生較強的HBIAS。如圖11a所示，因為較強的HBIAS，所以鐵磁層45和55的末端域中的磁化不規(guī)則使得其磁矩向量57和53可逆時針旋轉(zhuǎn)且分別靠近或通過y軸。接著，如圖11b所示，在時間t1提供正字電流IW，從而在正y軸方向產(chǎn)生字磁場HW。因為磁矩向量53接近正x軸且磁矩向量57接近負x軸，且HW和HBIAS的結(jié)合處于正y軸與正x軸之間的方向，所以磁矩向量53和57進一步逆時針旋轉(zhuǎn)。如圖11c所示，在時間t2提供正數(shù)字電流ID，從而在正x軸方向產(chǎn)生數(shù)字磁場HD。相應(yīng)地，磁矩向量53和57開始以順時針方向旋轉(zhuǎn)。如圖11d所示，在時間t3，當關(guān)閉字電流IW時，磁矩向量53和57進一步以順時針方向旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在磁矩向量53較接近負易軸，且磁矩向量57較接近正易軸。如圖11e所示，在時間t4，當也關(guān)閉數(shù)字電流ID時，磁矩向量53和57返回到如圖11a中的其原始位置。因此，由于較強的偏壓場HBIAS，因此磁矩向量53和57在HW的情況下以錯誤方向旋轉(zhuǎn)，且以圖4的序列100提供IW和ID后，存儲器單元10不能轉(zhuǎn)換。
當存儲器單元10按比例縮小且磁性區(qū)域15和17很小時，因為鐵磁區(qū)域15和17中的磁場的不規(guī)則性增加，所以上述問題更糟。結(jié)果，難以將寫入電流IW和ID減少到令人滿意的水平。

發(fā)明內(nèi)容
符合本發(fā)明的實施例，一種用于寫入磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的存儲器單元的方法包括在第一方向提供第一磁場；在第二方向提供第二磁場，所述第二方向大體上與所述第一方向正交；關(guān)閉所述第一磁場；在第三方向提供第三磁場，所述第三方向與所述第一方向相反；關(guān)閉所述第二磁場；和關(guān)閉所述第三磁場。
符合本發(fā)明的實施例，一種用于寫入磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的存儲器單元的方法包括在第一方向提供第一磁場；在第二方向提供第二磁場，所述第二方向大體上與所述第一方向正交；關(guān)閉所述第一磁場；在第三方向提供第三磁場，所述第三方向與所述第一方向相反；關(guān)閉所述第二磁場；在第四方向提供第四磁場，所述第四方向與所述第二方向相反；關(guān)閉所述第三磁場；和關(guān)閉所述第四磁場。
符合本發(fā)明的實施例，提供一種用于寫入磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的方法。所述MRAM裝置包括多個存儲器單元，每一個對應(yīng)于多個字線中的一個和多個數(shù)字線中的一個。寫入MRAM裝置的方法包括通過以下步驟寫入存儲器單元中的一個在第一方向提供第一磁場；在第二方向提供第二磁場，所述第二方向大體上與所述第一方向正交；關(guān)閉所述第一磁場；在第三方向提供第三磁場，所述第三方向與所述第一方向相反；關(guān)閉所述第二磁場；和關(guān)閉所述第三磁場。
符合本發(fā)明的實施例，還提供一種用于寫入磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的方法。所述MRAM裝置包括多個存儲器單元，每一個對應(yīng)于多個字線中的一個和多個數(shù)字線中的一個。寫入MRAM裝置的方法包括通過以下步驟寫入存儲器單元中的一個在第一方向提供第一磁場；在第二方向提供第二磁場，所述第二方向大體上與所述第一方向正交；關(guān)閉所述第一磁場；在第三方向提供第三磁場，所述第三方向與所述第一方向相反；關(guān)閉所述第二磁場；在第四方向提供第四磁場，所述第四方向與所述第二方向相反；關(guān)閉所述第三磁場；和關(guān)閉所述第四磁場。
符合本發(fā)明的實施例，一種用于轉(zhuǎn)換磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的存儲器單元中的磁矩的方法包括在第一方向提供第一磁場，其中所述第一方向與存儲器單元所承受的偏壓磁場的方向形成鈍角。
符合本發(fā)明的實施例，一種用于讀取磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的方法包括部分轉(zhuǎn)換參照存儲器單元中的磁矩以產(chǎn)生參照電流；測量通過待讀取的存儲器單元的讀取電流；和比較所述讀取電流與所述參照電流以確定待讀取的存儲器單元的狀態(tài)。
本發(fā)明的額外特征和優(yōu)點將部分地闡述于以下描述中，且部分地從所述描述顯而易見，或可通過實踐本發(fā)明而了解。本發(fā)明的特征和優(yōu)點將借助于所附權(quán)利要求書中特定指出的要素和結(jié)合而實現(xiàn)并達到。
應(yīng)了解，前述一般性描述和以下詳細描述均是示范性和解釋性的，且希望提供如所主張的對本發(fā)明的進一步解釋。


圖1顯示一種常規(guī)磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的存儲器單元。
圖2說明圖1的存儲器單元中的磁矩。
圖3說明圖1的存儲器單元的模擬轉(zhuǎn)換行為。
圖4顯示用于寫入圖1的存儲器單元的寫入電流的脈沖的序列。
圖5a-5e說明直接寫入圖1的存儲器單元的一實例。
圖6a-6e說明直接寫入圖1的存儲器單元的另一實例。
圖7a-7e說明切換寫入圖1的存儲器單元的一實例。
圖8a-8e說明切換寫入圖1的存儲器單元的另一實例v圖9和圖10說明偏壓磁場對切換寫入圖1的存儲器單元的影響。
圖11a-11e說明切換寫入圖1的存儲器單元的常規(guī)方法的問題。
圖12顯示待通過符合本發(fā)明的實施例的方法存取的MRAM的存儲器單元。
圖13說明圖12的存儲器單元中的磁矩。
圖14a-14d說明符合本發(fā)明的第一實施例的轉(zhuǎn)換圖12的存儲器單元中的磁矩的一實例。
圖15說明符合本發(fā)明的第二實施例的用于寫入圖12的存儲器單元的電流脈沖的序列。
圖16a-16f說明符合本發(fā)明的第二實施例的切換寫入圖12的存儲器單元的一實例。
圖17顯示符合本發(fā)明的第三實施例的用于寫入圖12的存儲器單元的電流脈沖的序列。
圖18a-18g說明符合本發(fā)明的第三實施例的切換寫入圖12的存儲器單元的一實例。
圖19顯示符合本發(fā)明的第四實施例的用于產(chǎn)生待用于讀取MRAM裝置中的存儲器單元的參照電流的電流脈沖的序列。
圖20a-20f說明符合本發(fā)明的第四實施例的使用圖12的存儲器單元產(chǎn)生參照電流的一實例。
主要元件標記說明3MRAM陣列10存儲器單元15第一磁性區(qū)域16穿隧障壁17第二磁性區(qū)域18、19三層結(jié)構(gòu)20、30字線50、40、53、57、58、59磁矩向量45、46、55、56鐵磁層60字電流65、66反鐵磁耦合間隔層70數(shù)字電流
80字磁場41、42、51、52、86、87厚度90數(shù)字磁場92、97區(qū)域200MRAM裝置202存儲器單元204寫入位線206寫入字線208釘扎磁性區(qū)域210自由磁性區(qū)域212穿隧障壁214、216、220、222鐵磁層218、224反鐵磁耦合間隔層226反鐵磁層228緩沖層230底部電極232、236介電層234上部電極238晶體管240傳感放大器t、t0、t1、...、t4、t5、t6時間HBIAS偏壓磁場EP易軸E+正易軸
E-負易軸HC磁矩IW2正字電流IW1負字電流HW1、HW2字磁場ID1正數(shù)字電流ID2負數(shù)字電流HD1、HD2數(shù)字磁場A、B、...、F磁矩向量IW字電流HW字磁場HD數(shù)字磁場ID數(shù)字電流具體實施方式
現(xiàn)在將詳細參看本發(fā)明的實施例，其實例在附圖中說明。在可能的情況下，整個附圖中相同標記用于指代相同或類似部分。
符合本發(fā)明的實施例，提供用于轉(zhuǎn)換具有低電流的磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的存儲器單元中的磁矩的方法。還提供使用符合本發(fā)明的實施例的用于轉(zhuǎn)換磁矩的方法用于寫入或讀取具有低寫入或讀取電流的MRAM裝置的方法。
圖12顯示包括存儲器單元陣列的示范性MRAM裝置200。僅顯示存儲器單元中的一個，存儲器單元202。MRAM裝置200包括多個寫入位線204和多個寫入字線206。寫入位線204與寫入字線206彼此大體正交。每一存儲器單元對應(yīng)于一個寫入位線204和一個寫入字線206。
存儲器單元202包括釘扎磁性區(qū)域208、自由磁性區(qū)域210和夾在釘扎磁性區(qū)域208與自由磁性區(qū)域210之間的穿隧障壁212。
釘扎磁性區(qū)域208可包含釘扎鐵磁體或合成反鐵磁(SAF)結(jié)構(gòu)。圖12顯示釘扎磁性區(qū)域208包含一個三層SAF結(jié)構(gòu)，其包括將反鐵磁耦合間隔層218夾在中間的兩個鐵磁層214和216。鐵磁層214和216可包含(例如)鈷鐵(CoFe)、鎳鐵(NiFe)或鈷鐵硼(CoFeB)。反鐵磁耦合間隔層218可包含(例如)釕(Ru)或銅(Cu)。反鐵磁耦合間隔層218的厚度使得鐵磁層214與216彼此反鐵磁耦合。
自由磁性區(qū)域210可包含SAF，其包括將反鐵磁耦合間隔層224夾在中間的兩個鐵磁層220和222。鐵磁層220和222可包含(例如)鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)或鎳鐵(NiFe)。反鐵磁耦合間隔層224可包含(例如)釕(Ru)或銅(Cu)。反鐵磁耦合間隔層224的厚度使得鐵磁層220與222彼此反鐵磁耦合。盡管圖12顯示自由磁性區(qū)域210僅包括三個層，但應(yīng)了解，也可使用具有三層以上的多層SAF結(jié)構(gòu)。例如，自由磁性區(qū)域210可包含由耦合間隔層分離的三個或三個以上鐵磁層。
穿隧障壁212可包含(例如)氧化鋁(AlOx)或氧化鎂(MgO)。
另外，反鐵磁層(anti-ferromagnetic pinning layer)226、緩沖層228、底部電極230和介電層232提供于釘扎磁性區(qū)域208與寫入字線206之間。反鐵磁層226可包含(例如)鉑錳(PtMn)或錳銥(MnIr)。緩沖層228可包含(例如)鎳鐵(NiFe)、鎳鐵鉻(NiFeCr)或鎳鐵鈷(NiFeCo)。上部電極234提供于自由磁性區(qū)域210上，且介電層236提供于上部電極234與寫入位線204之間。
反鐵磁層226固定住釘扎磁性區(qū)域208的磁矩，使得當施加中等磁場時釘扎磁性區(qū)域208的磁矩不旋轉(zhuǎn)。相比之下，在外磁場的情況下自由磁性區(qū)域210的磁矩自由旋轉(zhuǎn)。
穿隧障壁212的電子穿隧障壁和因此存儲器單元202的電阻隨磁場改變。例如，當鐵磁層216和220的各自磁矩向量彼此平行時，穿隧障壁212具有低電子穿隧障壁，且存儲器單元202具有低電阻。當鐵磁層216和220的各自磁矩向量彼此反平行時，穿隧障壁212具有高電子穿隧障壁，且存儲器單元202具有高電阻。因此，存儲器單元202可存儲由其電阻值界定的位“1”或“0”。例如，存儲器單元202的高電阻可表示位“1”，且存儲器單元202的低電阻可表示位“0”，或相反。
MRAM裝置200還包括多個晶體管，每一個耦合到所述存儲器單元中的一個。特定而言，圖12顯示耦合到存儲器單元202的底部電極230的晶體管238。MRAM裝置200還包括耦合到存儲器單元的多個傳感放大器。特定而言，圖12顯示傳感放大器240，其耦合到存儲器單元202的上部電極234以感測流過存儲器單元202的電流，且還經(jīng)耦合以感測通過參照單元(圖中未表示)的參照電流，以確定存儲器單元202的狀態(tài)。地址線(圖中未表示)，即字線或位線，耦合到晶體管的柵極和傳感放大器以用于選擇所述存儲器單元中的一個。因此，為了讀取存儲在存儲器單元202中的數(shù)據(jù)，啟動相應(yīng)的字線和位線以選擇存儲器單元202，因此打開晶體管238，將電壓施加于上部電極234與底部電極230之間，且通過傳感放大器240感測通過存儲器單元202的電流。盡管圖12顯示直接耦合到上部電極234的傳感放大器240，但應(yīng)了解傳感放大器240還可通過寫入位線204耦合到上部電極234，提供于介電層236中的導(dǎo)電插塞將寫入位線204連接到上部電極234。
圖13為說明當從頂部觀察存儲器單元202時關(guān)于寫入位線204和寫入字線206的方向的存儲器單元202中的磁矩的平面圖。在圖13中，負y軸沿寫入位線204的正電流方向，且負x軸沿寫入字線206的正電流方向。更具體地說，圖13中的正y軸處于沿圖12中所示的寫入位線204的從左到右的方向，且圖13中的正x軸處于沿圖12中所示的寫入字線206的從紙的平面中到紙的外部的方向。在制造MRAM裝置200期間，可設(shè)置釘扎磁性區(qū)域208和自由磁性區(qū)域210的易軸。假設(shè)釘扎磁性區(qū)域208具有與負x軸和負y軸成45°角的易軸EP，且自由磁性區(qū)域210具有與正x軸方向和正y軸方向成約45°角的正易軸E+，和與負x軸方向和負y軸方向成約45°角的負易軸E-。在缺少外磁場的情況下，鐵磁層214、216、220和222的磁矩向量與所述易軸中的一個對準。特定而言，在圖13中，鐵磁層216的磁矩向量A與易軸EP對準，且鐵磁層214的磁矩向量B與磁矩向量A反平行。假設(shè)磁矩向量A具有比磁矩向量B大的量值。因此，釘扎磁性區(qū)域208的合磁矩向量C處于EP方向。同樣，在圖13中，鐵磁層220的磁矩向量D與易軸E-對準，且鐵磁層222的磁矩向量E與易軸E+對準。假設(shè)磁矩向量D具有比磁矩向量E大的量值。因此，自由磁性區(qū)域210的合磁矩向量F處于E-方向。還將磁矩向量A-F標注于圖12中的相應(yīng)部分上。應(yīng)了解，表示圖12和圖13及以下圖式中的磁矩向量A-F的箭頭線僅顯示磁矩向量的方向，而不指示其相對強度。
提供到寫入位線204和寫入字線206的電流感應(yīng)外磁場，且其間的關(guān)系顯示于圖12和圖13中。通過寫入位線204的字電流IW感應(yīng)字磁場HW，且通過寫入字線206的數(shù)字電流ID感應(yīng)數(shù)字磁場HD。磁場HW和HD的強度分別與字電流IW和數(shù)字電流ID成比例。假設(shè)寫入位線204在存儲器單元202上方，且寫入字線206在存儲器單元202的下方。因此，如圖13中所示，當字電流IW為正(即，處于負x軸方向)時，HW在存儲器單元202的平面中大體上處于正y軸方向；當數(shù)字電流ID為正(即，處于負y軸方向)時，HD在存儲器單元202的平面中大體上處于正x軸方向。為說明方便起見，在以下描述和附圖中，感應(yīng)的外磁場敘述為或顯示為處于正或負x軸或y軸方向。應(yīng)了解，所述感應(yīng)的外磁場可處于或可不處于正或負x軸或y軸方向。
如以上參看圖7a-7e和8a-8e所描述，通過以圖4中所示的序列100提供字電流IW的脈沖和數(shù)字電流ID的脈沖，鐵磁層220和222的磁矩向量D和E可旋轉(zhuǎn)，且存儲器單元202可被切換寫入。另外，如Engel等人所提出，可通過調(diào)整釘扎磁性區(qū)域208的磁矩向量C產(chǎn)生偏壓磁場HBIAS，借此允許較低的寫入電流IW和ID。然而，如上所注意，在強偏壓磁場的情況下切換寫入可能失敗，且僅可使用相對較弱的偏壓磁場，并仍需要較大的寫入電流。特定而言，如果偏壓磁場HBIAS處于正x軸方向與正y軸方向之間的方向，那么當施加正字電流IW時，鐵磁層220和222的磁矩向量D和E可以錯誤方向旋轉(zhuǎn)。
一種符合本發(fā)明的第一實施例的用于轉(zhuǎn)換MRAM存儲器單元的磁矩的方法通過臨時感應(yīng)一部分地偏移HBIAS的外磁場(即，外磁場的方向與HBIAS的方向形成鈍角)避免由強HBIAS導(dǎo)致的上述問題。圖14a-14d為對符合本發(fā)明的第一實施例的用于轉(zhuǎn)換磁矩的方法的解釋。
圖14a顯示當存在強偏壓磁場HBIAS時的磁矩向量D和E。假設(shè)HBIAS大體上處于E+方向。結(jié)果，磁矩向量D和E可逆時針旋轉(zhuǎn)，并分別靠近或通過y軸。
如圖14b中所示且符合本發(fā)明的第一實施例，將負字電流提供于寫入字線206中，在負x軸方向中感應(yīng)字磁場HW。HW部分地偏移HBIAS，所結(jié)合的磁矩HC處于HW與HBIAS之間的方向。一方面，HW可以正x軸方向完全偏移HBIAS的分量，使得HC處于正y軸方向。作為HW的結(jié)果，磁矩向量D和E都順時針旋轉(zhuǎn)并靠近易軸E+和E-。
接著，可遵循用于旋轉(zhuǎn)磁矩向量D和E的常規(guī)步驟。例如，如圖14c所示，如果磁矩向量需要順時針旋轉(zhuǎn)，那么可提供正數(shù)字電流來感應(yīng)在正y軸方向(即，與HBIAS成約45°角)的數(shù)字磁場HD。
常規(guī)步驟開始后，可中斷負字電流。例如，在圖14d中，中斷負字電流之后，磁矩向量D和E進一步順時針旋轉(zhuǎn)，這為施加正字電流的所要的結(jié)果。
因此，通過臨時偏移偏壓磁場HBIAS，避免了與強HBIAS相關(guān)聯(lián)的上述問題。
在圖14b中，假設(shè)HW處于負x軸方向，且因此與HBIAS成約135°角。然而，應(yīng)了解，通過(例如)提供寫入位線204和寫入字線206中的電流的結(jié)合，HW的方向可與HBIAS成任何鈍角。
當存儲器單元的磁矩向量需要旋轉(zhuǎn)時，可應(yīng)用符合本發(fā)明的第一實施例的用于轉(zhuǎn)換磁矩的方法以在存在強偏壓磁場HBIAS的情況下存取MRAM裝置的存儲器單元。例如且符合本發(fā)明的第二實施例，可應(yīng)用符合本發(fā)明的第實施例的方法以切換寫入MRAM裝置，借此允許強偏壓磁場進一步降低寫入電流并減少功率消耗。
符合本發(fā)明的第二實施例，提供三個連續(xù)電流脈沖以寫入MRAM的存儲器單元，同時所述存儲器單元處于強偏壓磁場下。例如，假設(shè)MRAM裝置200的存儲器單元202處于正易軸E+方向的強偏壓磁場HBIAS下，那么可供應(yīng)包括兩個數(shù)字電流脈沖和一個字電流脈沖的三個電流脈沖以切換寫入存儲器單元202。圖15顯示三個電流脈沖的時間關(guān)系。特定而言，在時間t0，不提供寫入電流。在時間t1，提供負字電流IW1。在時間t2，提供正數(shù)字電流ID。在時間t3，關(guān)閉IW1并提供正字電流IW2。在時間t4，關(guān)閉ID。在時間t5，關(guān)閉IW2。一方面，IW1與IW2具有大體上相同的量值。另一方面，IW1具有獨立于IW2的適當量值。
圖16a-16e說明使用符合本發(fā)明的第二實施例的方法切換寫入存儲器單元202的一實例。圖16a-16e分別顯示僅鐵磁層220和222的磁矩向量D和E的位置。應(yīng)了解，在圖16a-16e中表示磁場的箭頭線僅顯示所述磁場的方向，并不指示其相對強度。
圖16a顯示在時間t0存儲器單元202的狀態(tài)。由于強HBIAS，鐵磁層220和222的末端域中的磁化可能不規(guī)則使得其磁矩向量D和E可逆時針旋轉(zhuǎn)且分別靠近或通過y軸。
如圖16b所示，在時間t1，提供負字電流IW1，在負x軸方向(即，與HBIAS成135°角)產(chǎn)生字磁場HW1。換句話說，HW1部分地偏置HBIAS。結(jié)果，磁矩向量D和E順時針旋轉(zhuǎn)并分別靠近易軸E-和E+。
如圖16c所示，在時間t2，提供正數(shù)字電流ID，從而在正y軸方向產(chǎn)生數(shù)字磁場HD。磁矩向量D和E進一步以順時針方向旋轉(zhuǎn)。
如圖16d所示，在時間t3，關(guān)閉負字電流IW1，并提供正字電流IW2，從而在正x軸方向產(chǎn)生字磁場HW2。磁矩向量D和E進一步順時針旋轉(zhuǎn)。
如圖16e所示，在時間t4，關(guān)閉數(shù)字電流ID，且磁矩向量D和E進一步順時針旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在磁矩向量D較接近正易軸E+方向，且磁矩向量E較接近負易軸E-方向。
如圖16f所示，在時間t5，也關(guān)閉正字電流IW2。磁矩向量D和E位于接近易軸的位置。因為在時間t5之前，磁矩向量D較接近正易軸E+方向，且磁矩向量E較接近負易軸E-方向，所以磁矩向量D位于接近正易軸E+方向的位置，且磁矩向量E位于接近負易軸E-方向的位置。換句話說，與圖16a中所示的時間t0相比，磁矩向量D和E轉(zhuǎn)換了位置，且存儲器單元202的狀態(tài)成功轉(zhuǎn)換。
MRAM裝置200的其它存儲器單元可使用以上所描述的相同方法寫入。
符合本發(fā)明的第二實施例，通過首先施加負字磁場HW1以部分地偏置HBIAS，借此導(dǎo)致磁矩向量D和E順時針旋轉(zhuǎn)，磁矩向量D和E在IW1、ID和IW2下繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)。因此，甚至當施加較小寫入電流IW1、ID和IW2時，也避免了由強偏壓場HBIAS所導(dǎo)致的磁矩向量以錯誤方向旋轉(zhuǎn)的問題。
符合本發(fā)明的第三實施例，提供四個連續(xù)電流脈沖以寫入MRAM的存儲器單元，其中所述存儲器單元處于強偏壓磁場下。例如，如果MRAM裝置200的存儲器單元202處于正易軸E+方向的強偏壓磁場HBIAS下，那么可供應(yīng)包括兩個數(shù)字電流脈沖和兩個字電流脈沖的四個電流脈沖以寫入存儲器單元202。圖17顯示四個電流脈沖的時間關(guān)系。特定而言，在時間t0，不提供寫入電流。在時間t1，提供負字電流IW1。在時間t2，提供正數(shù)字電流ID1。在時間t3，關(guān)閉IW1并提供正字電流IW2。在時間t4，關(guān)閉ID1并提供負數(shù)字電流ID2。在時間t5，關(guān)閉IW2。在時間t6，關(guān)閉ID2。一方面，ID1與ID2具有大體上相同的量值。另一方面，ID1具有獨立于ID2的適當量值。一方面，IW1與IW2具有大體上相同的量值。另一方面，IW1具有獨立于IW2的適當量值。
圖18a-18g說明使用符合本發(fā)明的第三實施例的方法切換寫入存儲器單元202的一實例。圖18a-18g分別顯示僅鐵磁層220和222的磁矩向量D和E的位置。應(yīng)了解，在圖18a-18g中表示磁場的箭頭線僅顯示所述磁場的方向，并不指示其相對強度。
圖18a顯示在時間t0存儲器單元202的狀態(tài)。由于強HBIAS，鐵磁層220和222的末端域中的磁化可能不規(guī)則使得其磁矩向量D和E可逆時針旋轉(zhuǎn)且分別靠近或通過y軸。
如圖18b所示，在時間t1，提供負字電流IW1，從而在負x軸方向產(chǎn)生字磁場HW1。結(jié)果，磁矩向量D和E順時針旋轉(zhuǎn)。
如圖18c所示，在時間t2，提供正數(shù)字電流ID1，從而在正y軸方向產(chǎn)生數(shù)字磁場HD1。磁矩向量D和E進一步以順時針方向旋轉(zhuǎn)。
如圖18d所示，在時間t3，關(guān)閉負字電流IW1，并提供正字電流IW2，從而在正x軸方向產(chǎn)生數(shù)字磁場HW2。磁矩向量D和E進一步順時針旋轉(zhuǎn)。
如圖18e所示，在時間t4，關(guān)閉正數(shù)字電流ID1并提供負數(shù)字電流ID2，從而在負y軸方向產(chǎn)生數(shù)字磁場HD2。結(jié)果，磁矩向量D和E進一步順時針旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在磁矩向量D較接近正易軸E+方向，且磁矩向量E較接近負易軸E-方向。
如圖18f所示，在時間t5，關(guān)閉正字電流IW2。因為正x軸方向的磁場較弱，磁矩向量D和E分別朝向y軸旋轉(zhuǎn)。磁矩向量D仍較接近正易軸E+方向，且磁矩向量E已移動到較接近負易軸E-方向。
如圖18g所示，在時間t6，也關(guān)閉負數(shù)字電流ID2。磁矩向量D和E稍微逆時針旋轉(zhuǎn)，但因為在時間t6之前，磁矩向量D較接近正易軸E+方向，且磁矩向量E較接近負易軸E-方向，所以磁矩向量D位于接近正易軸E+方向的位置，且磁矩向量E位于接近負易軸E-方向的位置。換句話說，與圖18a中所示的時間t0相比，磁矩向量D和E轉(zhuǎn)換了位置，且存儲器單元202的狀態(tài)成功轉(zhuǎn)換。
MRAM裝置200的其它存儲器單元可使用以上所描述的相同方法寫入。
與本發(fā)明的第二實施例相比，本發(fā)明的第三實施例進一步提供負數(shù)字電流ID2以進一步順時針旋轉(zhuǎn)磁矩向量D和E。結(jié)果，磁矩向量D和E移動到較接近各自的易軸，借此進一步減小寫入失敗的可能性。因此，符合本發(fā)明的第三實施例，寫入電流IW1、ID1、IW2和ID2可甚至比本發(fā)明的第二實施例所要求的寫入電流IW1、ID和IW2低。
符合本發(fā)明的實施例，還提供用于轉(zhuǎn)換磁矩以讀取MRAM裝置中的存儲器單元的方法。特定而言，首先通過部分地轉(zhuǎn)換選定的參照存儲器單元的磁矩并感測通過所述參照存儲器單元的電流而獲得參照電流。例如，參看圖12和圖13，如果部分地轉(zhuǎn)換磁矩向量D和E使得磁矩向量D與易軸E+和E-成約90°角，且因此也與磁矩向量A成約90°角，那么存儲器單元202的電阻具有中間值(intermediate value)，即，當磁矩向量D平行于磁矩向量A時大于存儲器單元202的參照電阻但當磁矩向量D反平行于磁矩向量A時低于存儲器單元202的參照電阻的值。因此，當將電壓施加于存儲器單元202上時，穿過其的電流也具有中間值并可用作參照電流。通過比較穿過存儲器單元的讀取電流與所述參照電流，可確定所述存儲器單元的狀態(tài)。
以下參看圖19和圖20a-20f描述符合本發(fā)明的第四實施例的讀取MRAM存儲器單元的實例，其說明以選定為參照存儲器單元的存儲器單元202產(chǎn)生參照電流。
圖19顯示符合本發(fā)明的第四實施例的施加到用于產(chǎn)生參照電流的存儲器單元202的三個電流脈沖的時間關(guān)系。特定而言，在時間t0，不提供電流。在時間t1，提供負字電流IW1。在時間t2，提供正數(shù)字電流ID。在時間t3，關(guān)閉IW1并提供正字電流IW2。如以下所討論，圖19中的時間t4指示感測參照電流的時間點。在時間t5，關(guān)閉IW2。在時間t6，關(guān)閉ID。IW1與IW2可能或可能不具有大體上相同的量值。
圖20a-20e分別說明當施加圖19中的三個電流脈沖時鐵磁層220和222的磁矩向量D和E的位置。圖20a顯示在時間t0存儲器單元202的狀態(tài)。假設(shè)偏壓磁場HBIAS通過調(diào)整釘扎磁性區(qū)域208的磁矩向量C產(chǎn)生。作為HBIAS的結(jié)果，磁矩向量D和E可逆時針旋轉(zhuǎn)且分別靠近或通過y軸。
如圖20b所示，在時間t1，提供負字電流IW1，從而在負x軸方向產(chǎn)生字磁場HW1。結(jié)果，磁矩向量D和E順時針旋轉(zhuǎn)并分別靠近易軸E-和E+。
如圖20c所示，在時間t2，提供正數(shù)字電流ID，從而在正y軸方向產(chǎn)生數(shù)字磁場HD。磁矩向量D和E進一步以順時針方向旋轉(zhuǎn)。
如圖20d所示，在時間t3，關(guān)閉負字電流IW1，并提供正字電流IW2，從而在正x軸方向產(chǎn)生字磁場HW2。磁矩向量D和E進一步順時針旋轉(zhuǎn)，且均與易軸E+和E-成約90°角。
接著，在時間t4且在圖式中未顯示，通過存儲器單元202的電流被感測為參照電流。
如圖20e所示，在時間t5，關(guān)閉正字電流IW1。結(jié)果，磁矩向量D和E逆時針旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在磁矩向量D較接近負易軸E-方向，且磁矩向量E較接近正易軸E+方向。
如圖20f所示，在時間t6，也關(guān)閉數(shù)字電流ID。磁矩向量D和E位于接近易軸的方向。因為在時間t6之前，磁矩向量D較接近負易軸E-方向，且磁矩向量E較接近正易軸E+方向，所以磁矩向量D和E返回到如圖20a所示的其在時間t0的各自位置。
在時間t4獲得的參照電流接著可用于與通過待讀取的存儲器單元的電流相比較。如果通過待讀取的存儲器單元的電流小于所述參照電流，那么可確定待讀取的存儲器單元使位“1”存儲于其中，從而假設(shè)存儲器單元202的高電阻表示位“1”。如果通過待讀取的存儲器單元的電流大于所述參照電流，那么可確定待讀取的存儲器單元使位“0”存儲于其中。存儲器單元202也可通過在時間t6后感測通過其的電流并將所感測的電流與參照電流比較來讀取。
在符合本發(fā)明的第四實施例的方法的實例的以上描述中，假設(shè)存在偏壓磁場HBIAS。應(yīng)了解，符合本發(fā)明的第四實施例的方法并不僅限于此。例如，如果缺少HBIAS，那么負字電流IW1可為不必要的，且僅需要正數(shù)字電流ID和正字電流IW2。還應(yīng)了解，磁矩向量D和E無須與易軸E+和E-成約90°角來測量所述參照電流。確切地說，假如當存儲器單元使位“0”或“1”存儲于其中時，參照電流大體上不同于通過所述存儲器單元的讀取電流，那么磁矩向量D和E可與易軸成任意角來測量所述參照電流。此外，應(yīng)了解，除圖19和圖20a-20f中所示的方式外，可以任何方式將電流提供到寫入位線204和寫入字線206，只要磁矩向量D和E旋轉(zhuǎn)到用于測量參照電流的所要方向。
在本發(fā)明的實施例的以上描述中，為了方便起見，假設(shè)當從頂部觀察存儲器單元202時，以一方式提供電流以用于磁性層220和222的磁矩向量D和E順時針旋轉(zhuǎn)。然而，應(yīng)了解，磁矩向量D和E可以兩個方向旋轉(zhuǎn)。例如，也符合本發(fā)明的第一實施例，可提供負數(shù)字電流，隨后提供正字電流，以用于磁矩向量D和E成功地逆時針旋轉(zhuǎn)。也符合本發(fā)明的第二實施例，用于寫入存儲器單元202的三個電流脈沖可包括連續(xù)提供的負數(shù)字電流、正字電流和正數(shù)字電流。也符合本發(fā)明的第三實施例，用于寫入存儲器單元202的四個電流脈沖可包括連續(xù)提供的負數(shù)字電流、正字電流、正數(shù)字電流和負字電流。也符合本發(fā)明的第四實施例，所述三個脈沖可包括負數(shù)字電流、正字電流和正數(shù)字電流，關(guān)閉正數(shù)字電流之后關(guān)閉正字電流。
在以上描述中，假設(shè)易軸E+和E-與x軸和y軸成約45°角。然而，應(yīng)了解，所述易軸無須與x軸和y軸成特定角，但確切地說可與x軸或y軸成任意角。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員現(xiàn)在應(yīng)了解可相應(yīng)地修改符合本發(fā)明的實施例的方法。例如，符合本發(fā)明的第二實施例，當自由磁性區(qū)域的易軸與字線和數(shù)字線成隨機角度時，可提供三個連續(xù)電流脈沖以寫入存儲器單元，其中所述三個脈沖中的每一個為字電流和數(shù)字電流的結(jié)合，而非單獨的字電流或數(shù)字電流。對于另一實例而言，符合本發(fā)明的第三實施例，當自由磁性區(qū)域的易軸與字線和數(shù)字線成隨機角度時，可提供四個連續(xù)電流脈沖以寫入存儲器單元，其中所述四個脈沖中的每一個為字電流和數(shù)字電流的結(jié)合。
還應(yīng)了解，符合本發(fā)明實施例的方法不僅適用于具有與存儲器單元202或MRAM裝置200相同的結(jié)構(gòu)的存儲器單元或存儲器裝置，還適用于寫入MRAM裝置，其中存儲器單元具有包含單層自由磁性層或(如上所述)三層以上的自由磁性區(qū)域。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，當可作些許之更動與改進，因此本發(fā)明之保護范圍當視權(quán)利要求所界定者為準。
權(quán)利要求
1.一種用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是包含在第一方向提供第一磁場；在第二方向提供第二磁場，所述第二方向大體上與所述第一方向正交；關(guān)閉所述第一磁場；在第三方向提供第三磁場，所述第三方向與所述第一方向相反；關(guān)閉所述第二磁場；和關(guān)閉所述第三磁場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是進一步包含使所述存儲器單元承受偏壓磁場，其中提供所述第一磁場包含以與所述偏壓磁場的方向成大于90°的角度提供所述第一磁場，且提供所述第二磁場包含以與所述偏壓磁場的所述方向成小于90°的角度提供所述第二磁場。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是進一步包含使所述存儲器單元承受偏壓磁場，其中提供所述第一磁場包含以與所述偏壓磁場的方向成約135°的角度提供所述第一磁場，且提供所述第二磁場包含以與所述偏壓磁場的所述方向成約45°的角度提供所述第二磁場。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是所述存儲器單元包括自由磁性區(qū)域、釘扎磁性區(qū)域和所述自由磁性區(qū)域與所述釘扎磁性區(qū)域之間的穿隧障壁，其中所述釘扎磁性區(qū)域在所述自由磁性區(qū)域中產(chǎn)生偏壓磁場，所述偏壓磁場處于大體上與所述自由磁性區(qū)域的易軸相同的方向，且其中提供所述第一磁場包含以與所述偏壓磁場的方向成約135°的角度提供所述第一磁場。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是所述存儲器單元對應(yīng)于第一寫入線和第二寫入線，所述第一寫入線與所述第二寫入線大體上彼此正交，且其中提供所述第一磁場、提供所述第二磁場和提供所述第三磁場包含在所述第一和第二寫入線中提供電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是所述存儲器單元對應(yīng)于第一寫入線和第二寫入線，所述第一寫入線與所述第二寫入線大體上彼此正交，且其中提供所述第一磁場包含在所述第一寫入線中提供第一電流；提供所述第二磁場包含在所述第二寫入線中提供第二電流；且提供所述第三磁場包含在所述第一寫入線中提供第三電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是提供所述第三磁場包含提供所述第三磁場以具有與所述第一磁場大體上相同的量值。
8.一種用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是包含在第一方向提供第一磁場；在第二方向提供第二磁場，所述第二方向大體上與所述第一方向正交；關(guān)閉所述第一磁場；在第三方向提供第三磁場，所述第三方向與所述第一方向相反；關(guān)閉所述第二磁場；在第四方向提供第四磁場，所述第四方向與所述第二方向相反；關(guān)閉所述第三磁場；和關(guān)閉所述第四磁場。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是進一步包含使所述存儲器單元承受偏壓磁場，其中提供所述第一磁場包含以與所述偏壓磁場的方向成大于90°的角度提供所述第一磁場，且提供所述第二磁場包含以與所述偏壓磁場的所述方向成小于90°的角度提供所述第二磁場。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是進一步包含使所述存儲器單元承受偏壓磁場，其中提供所述第一磁場包含以與所述偏壓磁場的方向成約135°的角度提供所述第一磁場，且提供所述第二磁場包含以與所述偏壓磁場的所述方向成約45°的角度提供所述第二磁場。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是所述存儲器單元包括自由磁性區(qū)域、釘扎磁性區(qū)域和所述自由磁性區(qū)域與所述釘扎磁性區(qū)域之間的穿隧障壁，其中所述釘扎磁性區(qū)域在所述自由磁性區(qū)域中產(chǎn)生偏壓磁場，所述偏壓磁場處于大體上與所述自由磁性區(qū)域的易軸相同的方向，且其中提供所述第一磁場包含以與所述偏壓磁場的方向成約135°的角度提供所述第一磁場。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是所述存儲器單元對應(yīng)于第一寫入線和第二寫入線，所述第一寫入線與所述第二寫入線大體上彼此正交，且其中提供所述第一磁場、提供所述第二磁場、提供所述第三磁場和提供所述第四磁場包含在所述第一和第二寫入線中提供電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是所述存儲器單元對應(yīng)于第一寫入線和第二寫入線，所述第一寫入線與所述第二寫入線大體上彼此正交，且其中提供所述第一磁場包含在所述第一寫入線中提供第一電流；提供所述第二磁場包含在所述第二寫入線中提供第二電流；提供所述第三磁場包含在所述第一寫入線中提供第三電流；和提供所述第四磁場包含在所述第二寫入線中提供第四電流。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是提供所述第三磁場包含提供所述第三磁場以具有與所述第一磁場大體上相同的量值。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元的方法，其特征是提供所述第四磁場包含提供所述第四磁場以具有與所述第二磁場大體上相同的量值。
16.一種用于寫入磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的方法，其特征是所述MRAM裝置包括多個存儲器單元，每一個對應(yīng)于多個字線中的一個和多個數(shù)字線中的一個，所述方法包含通過以下步驟寫入所述存儲器單元中的一個在第一方向提供第一磁場；在第二方向提供第二磁場，所述第二方向大體上與所述第一方向正交；關(guān)閉所述第一磁場；在第三方向提供第三磁場，所述第三方向與所述第一方向相反；關(guān)閉所述第二磁場；和關(guān)閉所述第三磁場。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是進一步包含使所述存儲器單元承受偏壓磁場，其中提供所述第一磁場包含以與所述偏壓磁場的一方向成大于90°的角度提供所述第一磁場，且提供所述第二磁場包含以與所述偏壓磁場的所述方向成小于90°的角度提供所述第二磁場。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是進一步包含使所述存儲器單元承受偏壓磁場，其中提供所述第一磁場包含以與所述偏壓磁場的方向成約135°的角度提供所述第一磁場，且提供所述第二磁場包含以與所述偏壓磁場的所述方向成約45°的角度提供所述第二磁場。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是所述存儲器單元中的所述一個包括自由磁性區(qū)域、釘扎磁性區(qū)域和所述自由磁性區(qū)域與所述釘扎磁性區(qū)域之間的穿隧障壁，其中所述釘扎磁性區(qū)域在所述自由磁性區(qū)域中產(chǎn)生偏壓磁場，所述偏壓磁場處于大體上與所述自由磁性區(qū)域的易軸相同的方向，且其中提供所述第一磁場包含以與所述偏壓磁場的方向成約135°的角度提供所述第一磁場。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是提供所述第一磁場、提供所述第二磁場和提供所述第三磁場包含在所述相應(yīng)的字線和數(shù)字線中提供電流。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是提供所述第一磁場包含在所述相應(yīng)字線和數(shù)字線的一個中提供第一電流；提供所述第二磁場包含在所述相應(yīng)字線和數(shù)字線的另一個中提供第二電流；和提供所述第三磁場包含在所述相應(yīng)字線和數(shù)字線的所述一個中提供第三電流。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是提供所述第三磁場包含提供所述第三磁場以具有與所述第一磁場大體上相同的量值。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是進一步包含寫入所述MRAM裝置的其它存儲器單元。
24.一種用于寫入磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的方法，其特征是所述MRAM裝置包括多個存儲器單元，每一個對應(yīng)于多個字線中的一個和多個數(shù)字線中的一個，所述方法包含通過以下步驟寫入所述存儲器單元中的一個在第一方向提供第一磁場；在第二方向提供第二磁場，所述第二方向大體上與所述第一方向正交；關(guān)閉所述第一磁場；在第三方向提供第三磁場，所述第三方向與所述第一方向相反；關(guān)閉所述第二磁場；在第四方向提供第四磁場，所述第四方向與所述第二方向相反；關(guān)閉所述第三磁場；和關(guān)閉所述第四磁場。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是進一步包含使所述存儲器單元承受偏壓磁場，其中提供所述第一磁場包含以與所述偏壓磁場的方向成大于90°的角度提供所述第一磁場，且提供所述第二磁場包含以與所述偏壓磁場的所述方向成小于90°的角度提供所述第二磁場。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是進一步包含使所述存儲器單元承受偏壓磁場，其中提供所述第一磁場包含以與所述偏壓磁場的方向成約135°的角度提供所述第一磁場，且提供所述第二磁場包含以與所述偏壓磁場的所述方向成約45°的角度提供所述第二磁場。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是所述存儲器單元中的所述一個包括自由磁性區(qū)域、釘扎磁性區(qū)域和所述自由磁性區(qū)域與所述釘扎磁性區(qū)域之間的穿隧障壁，其中所述釘扎磁性區(qū)域在所述自由磁性區(qū)域中產(chǎn)生偏壓磁場，所述偏壓磁場處于大體上與所述自由磁性區(qū)域的易軸相同的方向，且其中提供所述第一磁場包含以與所述偏壓磁場的方向成約135°的角度提供所述第一磁場。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是提供所述第一磁場、提供所述第二磁場、提供所述第三磁場和提供所述第四磁場包含在所述相應(yīng)的字線和數(shù)字線中提供電流。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是提供所述第一磁場包含在所述相應(yīng)字線和數(shù)字線的一個中提供第一電流；提供所述第二磁場包含在所述相應(yīng)字線和數(shù)字線的另一個中提供第二電流；提供所述第三磁場包含在所述相應(yīng)字線和數(shù)字線的所述一個中提供第三電流；和提供所述第四磁場包含在所述相應(yīng)字線和數(shù)字線的所述另一個中提供第四電流。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是提供所述第三磁場包含提供所述第三磁場以具有與所述第一磁場大體上相同的量值。
31.根據(jù)權(quán)利要求24所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是提供所述第四磁場包含提供所述第三磁場以具有與所述第二磁場大體上相同的量值。
32.根據(jù)權(quán)利要求24所述的用于寫入磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是進一步包含寫入所述MRAM裝置的其它存儲器單元。
33.一種用于轉(zhuǎn)換磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的存儲器單元中的磁矩的方法，其特征是所述存儲器單元承受偏壓磁場，所述方法包含在第一方向提供第一磁場，其中所述第一方向與所述偏壓磁場的方向形成鈍角。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的用于轉(zhuǎn)換磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元中的磁矩的方法，其特征是提供所述第一磁場包含提供所述第一磁場以在與所述第一方向相反的方向完全偏移所述偏壓磁場的分量。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的用于轉(zhuǎn)換磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元中的磁矩的方法，其特征是提供所述第一磁場包含在與所述偏壓磁場成約135°角的方向提供所述第一磁場。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的用于轉(zhuǎn)換磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元中的磁矩的方法，其特征是進一步包含在第二方向提供第二磁場，其中所述第二方向與所述偏壓磁場的所述方向形成銳角。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的用于轉(zhuǎn)換磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元中的磁矩的方法，其特征是進一步包含提供所述第二磁場之后關(guān)閉所述第一磁場。
38.根據(jù)權(quán)利要求33所述的用于轉(zhuǎn)換磁阻式隨機存取存儲器裝置的存儲器單元中的磁矩的方法，其特征是所述存儲器單元對應(yīng)于第一寫入線和第二寫入線，所述第一寫入線與所述第二寫入線大體上彼此正交，且其中提供所述第一磁場和提供所述第二磁場包含在所述第一和第二寫入線中提供電流。
39.一種用于讀取磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的方法，其特征是包含部分地轉(zhuǎn)換參照存儲器單元中的磁矩以產(chǎn)生參照電流；測量通過待讀取的存儲器單元的讀取電流；和比較所述讀取電流與所述參照電流以確定待讀取的所述存儲器單元的狀態(tài)。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的用于讀取磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是部分地轉(zhuǎn)換所述參照存儲器單元中的磁矩包含在第一方向提供第一磁場；在第二方向提供第二磁場，所述第二方向大體上與所述第一方向正交；關(guān)閉所述第二磁場；和關(guān)閉所述第一磁場。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的用于讀取磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是所述參照存儲器單元對應(yīng)于第一寫入線和第二寫入線，所述第一寫入線與所述第二寫入線大體上彼此正交，且其中提供所述第一磁場和提供所述第二磁場包含在所述第一和第二寫入線中提供電流。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的用于讀取磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是所述參照存儲器單元承受偏壓磁場，所述方法進一步包含提供所述第一磁場之前，在第三方向提供第三磁場，所述第三方向與所述第二方向相反，并與所述偏壓磁場的方向形成鈍角；和提供所述第二磁場之前關(guān)閉所述第三磁場。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的用于讀取磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是所述參照存儲器單元承受偏壓磁場，且其中提供所述第三磁場包含以與所述偏壓磁場的方向成約135°的角度提供所述第三磁場。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的用于讀取磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是所述參照存儲器單元對應(yīng)于第一寫入線和第二寫入線，所述第一寫入線與所述第二寫入線大體上彼此正交，且其中提供所述第一磁場、提供所述第二磁場和提供所述第三磁場包含在所述第一和第二寫入線中提供電流。
45.根據(jù)權(quán)利要求40所述的用于讀取磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是進一步包含在關(guān)閉所述第二磁場之前測量作為所述參照電流通過所述參照存儲器單元的電流。
46.根據(jù)權(quán)利要求39所述的用于讀取磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是進一步包含重復(fù)測量通過待讀取的存儲器單元的讀取電流，并比較所述讀取電流與所述參照電流以讀取所述MRAM裝置的其它存儲器單元。
47.根據(jù)權(quán)利要求39所述的用于讀取磁阻式隨機存取存儲器裝置的方法，其特征是所述參照存儲器單元不承受外磁場。
全文摘要
一種用于寫入磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)裝置的存儲器單元的方法連續(xù)包括在第一方向提供第一磁場；在大體上與所述第一方向正交的第二方向提供第二磁場；關(guān)閉所述第一磁場；在與所述第一方向相反的第三方向提供第三磁場；關(guān)閉所述第二磁場；和關(guān)閉所述第三磁場。一種用于轉(zhuǎn)換MRAM存儲器單元中的磁矩的方法包括在與偏壓磁場的方向形成鈍角的方向提供磁場。一種用于讀取MRAM裝置的方法包括部分地轉(zhuǎn)換參照存儲器單元中的磁矩以產(chǎn)生參照電流；測量通過待讀取的存儲器單元的讀取電流；和比較所述讀取電流與所述參照電流。
文檔編號G11C11/15GK1909109SQ20061005880
公開日2007年2月7日 申請日期2006年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月3日
發(fā)明者洪建中, 高明哲, 李元仁, 王連昌 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院