专利名称：使用依赖角度的灵敏度的基于自旋转移的mram的利记博彩app
技术领域：
本发明通常涉及磁随机存取存储器(“MRAM”)设备，更具体地，涉及基于自旋转移的MRAM设备。
背景技术：
相比于使用电荷存储数据的老式RAM，MRAM是使用磁化表示所存储的数据的非易失存储器技术。MRAM的一个主要优点在于，其在未加电时保留所存储的数据，即，其是非易失存储器。通常，MRAM包括在半导体基板上形成的大量的磁单元，其中每个单元表示一个数据比特。通过改变单元中的磁元件的磁化方向，将比特写入到单元，并且通过测量单元的电阻读取比特(低电阻典型地表示“0”比特，而高电阻典型地表示“1”比特)。
图1是简化的MRAM设备100的示意性透视图，并且图2和图3是简化的MRAM单元102的示意性透视图。尽管MRAM设备100仅包括9个单元102，但是实际的MRAM设备将典型地包括数百万个单元。通常，单元102包括上铁磁层104、下铁磁层106、和两个铁磁层之间的绝缘层108。在该示例中，上铁磁层104是自由磁层，这是因为，可以切换其磁化方向，以改变单元102的比特状态。然而，下铁磁层106是固定磁层，这是因为，其磁化方向不变。当上铁磁层104中的磁化平行于下铁磁层106中的磁化时(参看图2)，跨越单元102的电阻是相对低的。当上铁磁层104中的磁化与下铁磁层106中的磁化反平行时(参看图3)，跨越单元102的电阻是相对高的。通过测量给定单元102的电阻，读取单元102中的数据(“0”或“1”)。这样，利用附连到单元102的电导线110/112读取MRAM数据。
图4是用于具有自由磁层122、绝缘层124和固定磁层126的MRAM单元120的传统的切换技术的示意性示图。自由磁层122中的磁化取向可以指向两个方向中的一个方向(图4中的左侧或右侧)，而固定磁层126的取向仅可以指向一个方向(图4中的右侧)。自由磁层122中的磁化取向响应在数位线128中流动的电流127和在写入线130中流动的电流129而旋转。图4示出了数位线128中的电流流出页面，并且写入线130中的电流从左向右流动的情况，其将引起自由磁层122中的磁化相对于固定磁层126中的磁化的从平行切换到反平行。在典型的MRAM中，通过使写入线130中的电流129的极性反转，同时使数位线128中的电流127的极性保持恒定，切换比特的取向。
图4中示出的传统的MRAM切换技术具有某些实用限制，特别是在设计要求使比特单元比例缩小至较小的尺寸时。例如，由于该技术需要两组磁场写入线，因此MRAM单元阵列易于受到比特干扰的影响(即，可能响应引导至给定小区的写入电流，无意地改变相邻小区)。而且，减小MRAM单元的物理尺寸导致了由于热波动引起的针对磁化切换的较低的磁稳定性。通过利用具有大的磁各向异性并且因此具有大的切换场的磁材料用于自由层，可以增强比特的稳定性，但是在真实应用中，用于生成足够强的磁场以切换比特所需的电流是不切实际的。
传输模式自旋转移切换是用于写入MRAM比特数据的另一种技术。由于可以仅使用适中的电流，例如，少于5mA，切换具有关于磁场感生切换的大的(接近1000Oe)矫顽力(Hc)的比特，因此使用自旋转移相互作用写入比特是理想的。较高的Hc导致了较高的热稳定性和较小的干扰可能。图5是用于具有第一磁层152、非磁层154和第二磁层156的MRAM单元150的传输模式自旋转移切换技术的示意性示图。在该技术中，写入电流157流过单元150(箭头表示电子流动的方向)。根据自旋转移效应，写入电流中的电子在通过第一磁层152之后自旋极化。这样，第一磁层152用作极化器。自旋极化的电子跨越非磁层154，并且随后，在角动量守恒的情况下，将扭矩施加到第二磁层156。该扭矩使第二磁层156中的磁化取向平行于第一磁层152中的磁化取向。该平行的磁化将保持稳定，直至方向相反的写入电流将第二磁层156中的磁化取向切换为相对第一磁层152中的磁化取向反平行。
传输模式自旋转移切换技术需要相对低的功率(相比于传统的切换技术)，实际上消除了比特干扰的问题，导致了改善的数据保留，并且对于小尺寸的应用是理想的。然而，实际上该技术在存储器阵列中难于实现，这是因为，写入电流必须流过物化在单元中的磁隧道结。这不利地影响了MRAM单元的可靠性，并且需要在每个比特位置使用能够产生必要的电流的较大的写入晶体管，这与高密度应用是不相容的。
因此，理想的是，具有一种实用的MRAM架构，其实现了超高密度的低功率的MRAM设备。此外，理想的是，具有一种用于基于自旋转移的MRAM阵列的实用的和选择性的写入技术，其中写入电流未流过MRAM单元。而且，通过下面的详细描述和所附权利要求，结合附图和前面的技术领域和背景技术，本发明的其他的有利特征和特性将是显而易见的。
下面将结合附图描述本发明，在附图中相似的数字表示相似的元件，并且图1是现有技术的MRAM设备的示意性透视图；图2是第一状态下的现有技术的MRAM设备的示意性透视图；图3是第二状态下的现有技术的MRAM设备的示意性透视图；图4是现有技术的MRAM单元的截面侧视图，其说明了用于MRAM单元的切换技术；
图5是现有技术的MRAM单元的截面侧视图，其说明了用于MRAM单元的传输模式自旋转移切换技术；图6是根据本发明的实施例配置的MRAM单元的截面侧视图；图7是写入切换电流相对于极化器的磁化同自由磁元件的磁化之间的磁化角度的曲线图；图8是MRAM阵列的示意性示图；图9是根据本发明的MRAM写入技术的示意性示图；图10是根据本发明，在不存在数位电流的情况下将写入电流施加到MRAM单元的示意性示图；图11是根据本发明，在不存在写入电流的情况下将数位电流施加到MRAM单元的示意性示图；图12是根据本发明的另一实施例配置的MRAM单元的截面侧视图；图13是根据本发明的MRAM写入技术的示意性示图；以及图14是根据本发明的MRAM写入过程的流程图。
具体实施例方式
下面的详细描述在本质上仅是示例性的，并非限制本发明或者本发明的应用和使用。而且，前面的技术领域、背景技术
或者下面的详细描述中明确地或隐含地给出的任何理论，不具有约束的目的。
图6是根据本发明的实施例配置的MRAM单元200的截面侧视图。实际上，MRAM架构或设备将包括许多MRAM单元200，其典型地一起连接成具有列和行的矩阵(参看图1)。MRAM单元200通常包括下列元件第一导线202，其承载写入电流224；磁极化器204；隔层元件206；自由磁元件208；绝缘体210；固定磁元件212；电极214；和第二导线216，其承载数位电流226。在该示例性实施例中，固定磁元件212包括固定磁层218、隔层220和固定磁层222。在实际配置中，第一导线202可以连接到任何数目的相似的MRAM单元(例如，单元列)，以向每个连接单元提供公共的写入电流224。相似地，第二导线216可以与任何数目的相似的MRAM单元(例如，单元行)关联，以向每个单元提供公共的数位电流226。在图6中，数位电流226的方向指向页面外部。
第一导线202由能够导电的任何适当的材料形成。例如，第一导线202可以由元素Al、Cu、Au、Ag中的至少一个或其组合形成。在示例性实施例中，第一导线202包括第一部分202a和第二部分202b，其由空气间隙228或者其他的适当的绝缘体隔开。空气间隙228确保了使写入电流224转向通过磁极化器204和隔层元件206，如图6中示意性示出的。这样，第一部分202a位于磁极化器204上方，而第二部分202b位于隔层元件206上方。
在所说明的实施例中，磁极化器204位于隔层元件206和第一导线202之间。磁极化器204由具有可变磁化的磁材料形成。例如，磁极化器204可由元素Ni、Fe、Mn、Co中的至少一个或其合金形成，并且可由所谓的半金属铁磁物质形成，诸如NiMnSb、PtMnSb、Fe3O4或者CrO2。磁极化器204具有定义了其磁化的天然取向或“缺省”取向的易磁化轴(magnetic easy axis)。当MRAM单元200处于未施加写入电流224或数位电流226的稳定状态条件下时，磁极化器204的磁化方向将天然地沿其易轴。如下文更加详细描述的，适当地配置MRAM单元200，用于建立关于磁极化器204的特定的易轴方向。由图6的透视图，磁极化器204的易轴指向并离开页面(在图6中，位于磁极化器204中的符号表示这些易轴)。与传统的MRAM单元相反，磁极化器204不具有固定的磁化。相反地，磁极化器204的磁化是可变的，以协助改善针对MRAM单元200的数据写入，如下文详细描述的。
在所说明的实施例中，隔层元件206位于磁极化器204和自由磁元件208之间。隔层元件206桥接空气间隙228，以提供第一导线202的第一部分202a和第二部分202b之间的传导路径。隔层元件206由导电非磁材料形成。例如，隔层元件206可由非磁材料形成，诸如铜或者典型地在巨磁电阻隔层中使用的其他金属材料。如图6所示，写入电流224流过隔层元件206，并且返回到第一导线202，而非通过跨越绝缘体210的更高电阻路径。
在所说明的实施例中，自由磁元件208位于隔层元件206和绝缘体210之间。自由磁元件208由具有可变磁化的磁材料形成。例如，自由磁元件208可由元素Ni、Fe、Mn、Co中的至少一个或其合金形成，并且可由所谓的半金属铁磁物质形成，诸如NiMnSb、PtMnSb、Fe3O4或者CrO2。如传统的MRAM设备，自由磁元件208的可变磁化方向确定了MRAM单元200表示“1”比特或者“0”比特。实际上，自由磁元件208的磁化方向与固定磁元件212的磁化方向平行或反平行(参看上文的图2和图3的解释)。
自由磁元件208具有定义了其磁化的天然取向或“缺省”取向的易磁化轴。当MRAM单元200处于未施加写入电流224或数位电流226的稳定状态条件下时，自由磁元件208的磁化方向将天然地沿其易轴。如下文更加详细描述的，适当地配置MRAM单元200，用于建立关于自由磁元件208的特定的易轴方向。由图6的透视图，自由磁元件208的易轴指向右侧或者左侧(例如，箭头230的方向)。在优选实施例中，自由磁元件208的易轴与磁极化器204的易轴正交。实际上MRAM单元200利用磁极化器204和自由磁元件208中的各向异性，诸如形状或晶体各向异性，实现各个易轴的正交取向。
在该示例性实施例中，绝缘体210位于自由磁元件208和固定磁元件212之间。更具体地，绝缘体210位于自由磁元件208和固定磁层218之间。绝缘体210由可以用作电绝缘体的任何适当的材料形成。例如，绝缘体210可由如下材料形成，诸如Al、Mg、Si、Hf、Sr或Ti中的至少一个的氧化物或氮化物形成。对于MRAM单元200，绝缘体210用作磁隧道阻挡元件，并且自由磁元件208、绝缘体210和固定磁元件212形成了磁隧道结。
在所说明的实施例中，固定磁元件212位于绝缘体210和电极214之间。固定磁元件212具有固定磁化，其与自由磁元件208的磁化平行或者反平行。在实际的实施例中，固定磁元件212被实现为钉扎合成反铁磁物质，其具有固定磁层218、隔层220和固定磁层222。如图6所示，固定磁层218和固定磁层222具有反平行磁化。固定磁层218和固定磁层222可由任何适当的磁材料形成，诸如元素Ni、Fe、Mn、Co中的至少一个或其合金，并且可由所谓的半金属铁磁物质形成，诸如NiMnSb、PtMnSb、Fe3O4或者CrO2。隔层220由任何适当的非磁材料形成，包括元素Ru、Os、Re、Cr、Rh、Cu中的至少一个或其组合。合成反铁磁结构对于本领域的技术人员是已知的，并且此处将不再进行详细描述。
电极214用作用于MRAM单元200的数据读取导线。这样，可以根据传统的技术读取MRAM单元200中的数据小电流流过MRAM单元200和电极214，并且测量该电流以确定MRAM单元200的电阻是相对高的还是相对低的。读取电流比用于通过自旋转移切换自由层所需的电流小很多，以便于避免由读取单元引起的干扰。原则上，读取信号将包括来自跨越隔层206的巨磁电阻以及跨越绝缘体210的隧道磁电阻的贡献。然而，隧道磁电阻的贡献将支配读取信号，这是因为，跨越绝缘体210的电阻率比跨越金属隔层206的电阻率高很多。电极214由能够导电的任何适当的材料形成。例如，电极214可由元素Al、Cu、Au、Ag、Ta中的至少一个或其组合形成。
第二导线216由能够导电的任何适当的材料形成。例如，第二导线216可由元素Al、Cu、Au、Ag中的至少一个或其组合形成。如图6所示，第二导线216不需要与电极214(或者图6所示的MRAM 200的任何其他元件)物理接触，这是因为，MRAM单元200利用数位电流226生成的磁场，而非利用同数位电流226中的电子流的直接相互作用。
实际上，MRAM单元200可以使用可替换的和/或额外的元件，并且图6所示的一个或多个元件可被实现为复合结构或者子元件的组合。图6中示出的层的具体配置仅表示本发明的一个适当的实施例。
自旋转移效应对于本领域的技术人员是已知的。简而言之，在电子通过磁/非磁/磁三层结构中的第一磁层之后，电流自旋极化，其中第一磁层基本上厚于第二磁层。自旋极化电子跨越非磁隔层，并且随后，在角动量守恒的情况下，将扭矩施加到第二磁层，其将第二层的磁取向切换为与第一层的磁取向平行。如果施加相反极性的电流，则相反地，电子首先通过第二磁层。在跨越非磁隔层之后，将扭矩施加到第一磁层。然而，由于第一磁层的较大的厚度，其不会切换。同时，小部分电子随后将反射离开第一磁层并且在与第二磁层相互作用之前，反向行进跨越非磁隔层。在该情况中，自旋转移扭矩发生作用，以便于将第二层的磁取向切换为与第一层的磁取向反平行。迄今为止描述的自旋转移包括电流传输跨越结构中的所有层。另一种可能性是自旋转移反射模式切换。在反射模式中，在电子通过第一磁层时，电流再次自旋极化。该电子随后跨越非磁隔层，但是不同于继续跨越第二磁层，该电子通过导向离开非磁隔层和第二磁层之间的界面的额外的导线，流过较低电阻的路径。在该过程中，某些电子将反射离开该界面，并且由此将自旋转移扭矩施加到第二磁层，以使其同第一磁层对准。
使用自旋转移反射模式切换可以选择性地将数据写入到MRAM单元200。通过自旋转移切换电流(由第一导线202承载并且在图6中被标为写入电流224)对磁极化器204同自由磁元件208的磁化之间的相对角度的依赖关系，实现了该选择性。本发明人的研究表明，当磁极化器204和自由磁元件208的磁化平行或反平行时，自旋转移切换电流的量值最小，而当该磁化正交时，该量值最大。在Mancoff等人的“ANGULAR DEPENDENCE OF SPIN-TRANSFER SWITCHING INA MAGNETIC NANOSTRUCTURE”，应用物理快报，Vol.25，No.8，1596-98(2003年8月25日)中描述了该特性。此公开的内容在此处结合进来作为参考。如上文提及的，MRAM单元200使用磁极化器204和自由磁元件208中的各向异性，由此其各自的磁取向在缺省或天然状态下是正交的。
图7是写入切换电流相对于极化器的磁化同自由磁元件的磁化之间的磁化角度的曲线图。如该图中所示，切换电流在角度0°和180°处，即，当磁取向平行或反平行时，达到最小值，约5mA。相反地，对于正交取向，切换电流朝向90°和270°偏离，增大至2倍以上。此处描述的MRAM单元和设备利用该角度依赖关系提供增强的切换性能。
将数位电流226施加到第二导线216，产生了磁场，其将使磁极化器204的磁取向旋转，由此其与自由磁元件208的磁取向平行或反平行。这样，第二导线216用作传导数位线，用于提供用于改变磁极化器204中的可变磁化取向的数位电流226。数位电流226使磁极化器204中的磁化取向不与磁极化器204的易轴对准(例如，使之正交)。因此，可以响应将写入电流224施加到第一导线202，切换自由磁元件208的磁取向，这是因为，当这些元件的磁化是平行的或者反平行的时候，相比于其是正交的时候，所需的自旋转移电流较低。写入电流224中的电子(箭头表示电子流动方向)在通过磁极化器204时自旋极化。极化的自旋转移写入电流224，其由于高电阻率的绝缘体210而不能流过MRAM单元200，流过隔层206并且返回第一导线202。而在隔层元件206中，写入电流224中的相当大部分的电子反射离开自由磁元件208(如图6所示)，并且施加自旋转移扭矩，其试图使自由磁元件208的磁化取向同磁极化器204的磁化取向对准。
共用第一导线202的其他的MRAM单元将不响应写入电流224切换，这是因为，它们的自由磁元件和磁极化器保持正交，由此需要高的自旋转移切换电流。共用第二导线216的其他的MRAM单元将经历来自公共数位电流226的磁场，结果磁极化器的磁化改变。然而，由于未将写入电流施加到这些其他的MRAM单元，因此其自由磁元件将不切换。因此，将仅选择性地切换指明的写入线(例如，第一导线202)和指明的数位线(例如，第二导线216)的交点处的指定比特。
实际的MRAM架构可以包括具有此处描述的独立写入选择性的MRAM单元200的阵列或矩阵。图8是可以使用许多个MRAM单元200的示例性MRAM阵列300的示意性示图。图8中的省略号指出，MRAM阵列300可以包括许多行和许多列。在该示例中，给定列中的单元共用公共的数位线(由参考数字302、304、306和308标出)，并且给定行中的单元共用公共的写入线(由参考数字310、312、314和316标出)。MRAM阵列300还可以包括逻辑318，其控制数位线电流的选择和/或施加，以及逻辑320，其控制写入线电流的选择和/或施加。这些控制元件被适当地配置为，选择性地分别向适当的列和行施加数位线电流和写入线电流，以协助将数据写入到指定的MRAM单元200。
图9是根据本发明的MRAM写入技术的示意性示图。图9示出了将数据写入到单元的过程中的不同时刻的MRAM单元，诸如MRAM单元200的顶视图。图9示意性地示出了自旋转移写入线400(由虚线标出)、数位线402(由实线标出)、磁极化器404(大的椭圆形)和自由磁元件406(小的椭圆形)。图9包括第一状态408、第二状态410、第三状态412和第四状态414的视图。
第一状态408表示MRAM单元的天然的、缺省的或开始的状态。在该状态下，磁极化器404的磁取向与自由磁元件406的磁取向正交。对于第一状态408，指向上方的箭头指出了磁极化器404的磁取向，而指向右侧的箭头指出了自由磁元件406的磁取向。在第一状态408下，磁极化器404的磁取向与磁极化器404的易轴对准，并且自由磁元件406的磁取向与自由磁元件406的易轴对准。
第二状态410表示在将电流416(箭头方向)施加到数位线402时的MRAM单元的状态。电流416生成磁场418(其指向箭头方向)，其出现在磁极化器404的位置。磁场418迫使磁极化器404的磁取向偏离其易轴，并且与磁场418对准。这样，第二状态410下的磁极化器404的磁取向指向左侧。在该状态下，自由磁元件406的磁取向与磁极化器404的磁取向反平行。因此，相比于磁化是正交的时候，关于电流感生切换的阈值较低。由于将通过更加有效的自旋转移机制切换自由磁元件406，因此通过使用诸如具有高的磁晶体各向异性的材料，可以使自由元件406的矫顽力足够大，由此自由元件406的磁化将不会显著地受到磁场418的影响。此外，所示出的自由元件406将被构图为比极化器404更小的尺寸，由此相比于极化器，自由元件的增加的静磁形状各向异性也有助于使其磁化不受磁场418的影响。
第三状态412表示在将电流420(电子在箭头方向中流动)施加到写入线400时的MRAM单元的状态。在该状态下，仍将电流416施加到数位线402。由于与第二状态410相关联的低的自旋转移切换阈值，自由磁元件406的磁取向切换为与磁极化器404的磁取向平行。因此，在第三状态412的示图中，自由磁元件406的磁取向指向左侧。这假设了，第三状态412下的极化器404的磁化方向保持不受电流420施加到其上的自旋转移扭矩的影响。实际上，通过使极化器的厚度大于自由层厚度，例如是其厚度的1.5～2倍或更多，可以实现该结果。在该情况中，自旋转移电流420将是足够大的，可将较厚的自由层406的磁化切换为平行于极化器404的磁化，但是施加在较厚的极化器层上的自旋转移扭矩将不会干扰其磁化。
第四状态414表示从各个传导线移除电流416和电流420之后的MRAM单元的状态。移除电流416使磁极化器404的磁取向能够返回到磁极化器404的易轴。换言之，磁极化器404返回到其天然的或缺省的条件。然而，自由磁元件406的磁取向在切换状态下保持稳定(在图9中指向左侧)，其与初始状态相反。
一旦移除了电流416，则磁极化器404的磁化释放到其初始易轴方向(图9的页面的顶部)或者相反的易轴方向(图9的页面的底部)。极化器磁化到达两个易轴方向中的哪一个是不重要的，这是因为，随后施加的数位线电流416可以容易地使极化器磁化等同地旋转离开任一易轴方向。将自由磁元件406从图9中的右侧切换到左侧之后，可以再次使用相同的程序，但是利用极性相反的数位线416电流或者写入电流420，将自由元件从左侧切换到右侧。在第一情况中，如果数位线电流极性被反转，则得到的磁场将使极化器磁化向图9中的右侧旋转。这样，当施加在图9中从左侧向右侧流动的写入电流时，自旋转移将再次将自由磁化切换为与极化器平行，因此自由磁化将被切换到右侧。在第二情况中，数位线电流极性保持与图9中相同，因此所得到的磁场使极化器向左侧旋转。然后相比于图9使写入电流极性反转，由此自旋转移将自由磁化切换为与极化器反平行，并且自由磁化将被切换到右侧。因此，为了将比特从一个方向切换到另一方向并返回，仅需要使写入线电流和数位线电流中的任意一个的极性反转，不需要使此两者的极性均反转。实际上，为了保持与传统的MRAM设计的较大的一致性，改变写入线电流的极性同时使数位线电流的极性保持恒定，是优选的。
显然，需要电流416和电流420的组合，以将数据写入到MRAM单元。对于写入操作，单独的电流416或电流420都是不足的。图10是在不存在数位电流的情况下将写入电流施加到MRAM单元的示意性示图。图10包括第一状态422、第二状态424和第三状态426的视图。第一状态422等效于图9所示的第一状态408，即，第一状态422是单元的天然开始状态。
第二状态424表示在不存在数位线402上的电流的情况下将电流428(电子在箭头方向中流动)施加到写入线400时的MRAM单元的状态。在该状态下，自由磁元件406的磁取向与磁极化器404的磁取向正交。因此，关于自旋转移切换的阈值较高，并且因此，由于写入电流428未超过较高的切换电流阈值，自由磁元件406的磁取向未切换。这样，自由磁元件406的磁取向保持指向第二状态424的示图中的右侧。第三状态428表示移除电流428之后的MRAM单元的状态。在该状态下，自由磁元件406的磁取向在初始未切换的条件下保持稳定(指向图10中的右侧)。
图11是在不存在写入电流的情况下将数位电流施加到MRAM单元的示意性示图。图11包括第一状态430、第二状态432和第三状态434的视图。第一状态430等效于图9所示的第一状态408，即，第一状态430是单元的天然开始状态。
第二状态432表示在不存在写入线402上的电流的情况下将电流436(箭头方向)施加到数位线400时的MRAM单元的状态。第二状态432等效于图9所示的第二状态410。在该状态下，电流436生成了磁场438，其具有如箭头所指出的取向。然而，缺少自旋转移写入电流将使自由磁元件406在其初始条件下保持稳定。第三状态434表示移除电流436之后的MRAM单元的状态。在该状态下，自由磁元件406的磁取向在初始未切换条件下保持稳定(指向图11中的右侧)。
此处描述的切换技术的优点包括，通过使用小于约5mA的施加电流(其相对于传统的MRAM切换是适中的)，切换具有关于场感生切换的大的接近1000Oe的矫顽力的比特的能力。该大的矫顽力的比特提供了增加的热稳定性和较小的干扰可能。由于使用具有该大的矫顽力的比特的能力，在向数位线施加电流以使极化器旋转时无意地干扰自由层的可能性相对较小。因此，相比于磁场写入线组均可以产生比特干扰的传统MRAM，与数位线组相关联的比特干扰量将是最小的。
图12是根据本发明的另一实施例配置的MRAM单元500的截面侧视图。MRAM单元500使用合成反铁磁极化器504代替MRAM单元200的磁极化器。MRAM单元500通常包括下列元件第一导线502，其用作写入电流线；极化器504；隔层元件506；自由磁元件508；绝缘体510；固定磁元件512；电极514；和第二导线516，其用作数位电流线。在该示例性实施例中，固定磁元件512包括固定磁层518、隔层520和固定磁层522。MRAM单元500的许多部件与MRAM 200中的对应部件等效，并且因此上文关于MRAM单元200的描述部分同样适用于MRAM单元500。
在示例性实施例中，极化器504位于第一导线502和隔层元件506之间。极化器504可以实现为合成反铁磁物质，其具有第一磁极化层532、隔层534和第二磁极化层536。第一磁极化层532和第二磁极化层536均具有可变磁化。在缺省的天然状态下，第一磁极化层532和第二磁极化层536具有反平行磁化(例如，极化层532和536在图12中分别指向左侧和右侧)。第一磁极化层532和第二磁极化层536可由任何适当的磁材料形成，诸如元素Ni、Fe、Mn、Co中的至少一个或其合金，并且可由所谓的半金属铁磁物质形成，诸如NiMnSb、PtMnSb、Fe3O4或者CrO2。隔层534由任何适当的非磁材料形成，包括元素Ru、Os、Re、Cr、Rh、Cu中的至少一个或其组合。合成反铁磁结构对于本领域的技术人员是已知的，并且此处将不再进行详细描述。而且，如图12所示，自由磁层508以及固定磁层518和522的易轴指向页面或指离页面。(在图12中由各自的符号表示)。
图13是根据本发明的MRAM写入技术的示意性示图。图13示出了将数据写入到单元的过程中的不同时刻的MRAM单元的顶视图，诸如MRAM单元200。图13示意性地示出了自旋转移写入线600(由虚线标出)、数位线602(由实线标出)、如上文所述具有两个极化元件的磁极化器604(大的椭圆形)和自由磁元件606(小的椭圆形)。图13包括第一状态608、第二状态610、第三状态612和第四状态614的视图。
第一状态608表示MRAM单元的天然的、缺省的或开始的状态。在该状态下，两个磁极化器的磁取向是相互反平行的(在图13中指向上方和下方)。两个磁极化器的磁取向与自由磁元件606的磁取向正交。对于第一状态608，指向右侧的箭头指出了自由磁元件606的磁取向。在第一状态608下，两个磁极化器的磁取向与磁极化器604的易轴对准，并且自由磁元件606的磁取向与自由磁元件606的易轴对准。
第二状态610表示在将电流616(箭头方向)施加到数位线602时的MRAM单元的状态。电流616生成磁场618(其指向箭头方向)，其出现在磁极化器604的位置。磁场618引起了磁极化器604中的自旋翻转转换，由此两个磁极化器变为与易轴正交并且相互反平行。自旋翻转转换作为一种使系统的总能量最小的方式发生，其包括合成反铁磁物质的反平行耦合、静磁形状各向异性和与极化器中的磁矩相互作用的磁场的Zeeman能量。状态610下的自旋翻转之后的状态保持合成反铁磁物质的强的反平行耦合，同时不需要其任何层与磁场完全反平行。这样，第二状态610下的磁极化器的磁取向近似指向右侧和左侧，如所示出的。一个平行于自由磁元件606的磁取向，而另一个与自由磁元件606的磁取向反平行。单独施加电流616不会影响自由磁元件606的磁取向。实际上，存在磁极化器相对于自由磁元件606的磁取向的平行和反平行的略微偏离。当层分离时合成反铁磁物质具有最小能量，由此它们的磁化略微指向磁场618的方向。通过使用具有足够强的反铁磁耦合的合成反铁磁材料，可以使相对平行方向的偏离较小。
第三状态612表示在将电流620(箭头方向)施加到写入线600时的MRAM单元的状态。在该状态下，仍将电流616施加到数位线602。由于关于平行和反平行磁化的自旋转移切换阈值较低，因此电流620切换自由磁元件606的取向(在图13中从指向右侧切换为指向左侧)。因此，在第三状态612的示图中，自由磁元件606的磁取向指向左侧。在该情况中，第二磁极化层536，其更接近于自由层并因此支配自旋转移扭矩的方向，是磁极化器604的部件，其磁化指向图13中的左侧。
第四状态614表示从各个传导线移除电流616和电流620之后的MRAM单元的状态。移除电流616使两个磁极化器的磁取向能够返回到磁极化器604的易轴并且相互反平行。换言之，磁极化器604返回到其天然的或缺省的条件。然而，自由磁元件606的磁取向在切换状态下保持稳定(在图13中指向左侧)，与其初始状态相反。为了在相反的方向中再次切换比特，可以应用相同的数位线电流极性和相反的自旋转移写入电流极性，或者可以应用相反的数位线电流极性和相同的自旋转移写入电流极性。实际上，为了保持与传统的MRAM设计的较大的一致性，改变写入线电流的极性同时使数位线电流的极性保持恒定，是优选的。
MRAM单元500相比MRAM单元200的一个优点在于，随着设备比例缩小至较小的尺寸，通过减少两个磁极化器之间的反铁磁耦合的饱和场强度，可以使两个磁极化器的自旋翻转转换场保持为较低。该趋势与MRAM单元200相反，在MRAM单元200中，在较小设备尺寸的情况中，磁极化器的重新取向场将由于静磁形状各向异性场的增加而增加。
图14是在将数据写入到包括如此处描述的MRAM单元200的MRAM阵列时执行的MRAM写入过程700的流程图。过程700可由一个或多个逻辑和/或处理器元件(参看例如，图8)执行和/或控制，诸如计算机系统中使用的逻辑和/或处理器元件。在实际的实现方案中，过程700可以包括许多个额外的和/或可替换的任务，并且过程700可以并入到更加复杂的存储器控制读/写程序中。而且，过程700中示出的任务不需要按照图14中示出的顺序执行，并且该任务中的一个或多个任务可以在实际的实施例中同时执行。
MRAM写入过程700开始于任务702，其指定MRAM阵列中的用于写入的MRAM单元。在实际的“二维”MRAM阵列中，任务702可以确认行和列，用于指定MRAM单元。一旦指定了MRAM单元，则将数位电流施加到MRAM单元行(任务704)；该行包括指定的MRAM单元。实际上，数位电流对于指定行中的所有MRAM单元是公共的。响应数位电流，旋转指定的MRAM单元的极化器磁化取向(任务706)。极化器的场取向从与磁极化器的易轴对准旋转到与磁极化器的易轴正交。在示例性实施例中，由于数位电流对于指定行是公共的，因此对于该行中的每个MRAM单元，均发生该切换。数位电流的量值是足够高的，能够切换极化器的磁化，同时也是足够低的，不会影响MRAM阵列中包含的MRAM单元中的自由磁元件的磁取向。
极化器场的切换使得可以使用相对适中的写入电流选择性地将数据写入指定的MRAM单元。如果将写入“0”比特(查询任务708)，则MRAM写入过程700将第一方向中的写入电流施加到MRAM单元列(任务710)；该列包括指定的MRAM单元。在实际的实施例中，任务710将写入电流施加到指定列中的每个MRAM单元。响应写入电流，指定MRAM单元中的自由磁元件的磁化取向被切换到写入状态(任务712)。由任务712表示的切换是作为将写入电流施加到指定列的结果而发生的。因此，MRAM阵列保持该列中的未被指定的MRAM单元中的自由磁元件的初始磁化取向。这样，仅选择性地将数据写入指定的MRAM单元。指定MRAM单元中的自由磁元件的磁化取向被切换为与指定MRAM单元中的固定磁元件的磁化取向平行。
如果将写入“1”比特(查询任务708)，则MRAM写入过程700将第二方向中的写入电流施加到MRAM单元列(任务714)。在实际的实施例中，任务714将写入电流施加到指定列中的每个MRAM单元。响应写入电流，指定MRAM单元中的自由磁元件的磁化取向被切换到写入状态(任务716)。由任务716表示的切换是作为将写入电流施加到指定列的结果而发生的。因此，MRAM阵列保持该列中的未被指定的MRAM单元中的自由磁元件的初始磁化取向。这样，仅选择性地将数据写入指定的MRAM单元。指定MRAM单元中的自由磁元件的磁化取向被切换为与指定MRAM单元中的固定磁元件的磁化取向反平行。
如上文提及的，MRAM写入过程700的选择性写入技术保持所有未被指定的MRAM单元的自由磁元件的取向(任务718)。在将数据写入指定的MRAM单元之后，可以从自旋转移写入线移除写入电流(任务720)，并且可以从数位线移除数位电流(任务722)。移除数位电流使磁极化器的磁化取向返回到其天然状态，即，它们再次变为与磁极化器的易磁化轴对准(任务724)。任务724表示的磁化旋转是响应数位电流的移除而发生的。为了保持阵列中的MRAM单元的被写入状态直至后继的写入操作改变该单元中的数据(任务726)，这些电流的移除是理想的。这样，被写入状态的保持源于写入电流和数位电流的移除。如所描述的，图14中的MRAM写入过程700包括，施加极性恒定的数位线电流并且按照需要使自旋转移写入电流的极性反转，以写入“0”或“1”比特。如前面提及的，可替换的方法是，施加极性恒定的自旋转移写入电流并且按照需要使数位线电流的极性反转，以写入“0”或“1”比特。
可以利用与过程700相似的MRAM写入过程将数据写入到包括多个如上文结合图12和图13描述的MRAM单元500的MRAM阵列。
尽管在前面的详细描述中给出了至少一个示例性实施例，但是应当认识到，还存在大量的变化方案。还应当认识到，该示例性实施例仅是示例，并非以任何方式限制本发明的范围、应用性或配置。相反地，前面的详细描述将为本领域的技术人员提供用于实现示例性实施例的传统方案。应当理解，在不偏离所附权利要求及其合法等效物中阐述的本发明的范围的前提下，可以进行多种功能和元件配置上的变化。
权利要求
1.一种磁随机存取存储器(MRAM)设备，包括磁极化器，其具有第一可变磁化；自由磁元件，其具有第二可变磁化；传导隔层元件，其位于所述磁极化器和所述自由磁元件之间。
2.权利要求1的MRAM设备，其中所述自由磁元件是通过使用同所述磁极化器的自旋转移相互作用的角度依赖而选择性地被编程的。
3.权利要求1的MRAM设备，进一步包括传导数位线，用于提供切换所述第一可变磁化的取向的数位电流。
4.权利要求1的MRAM设备，其中所述磁极化器包括第一易磁化轴；并且所述自由磁元件包括与所述第一易磁化轴正交的第二易磁化轴。
5.权利要求4的MRAM设备，进一步包括传导数位线，用于提供切换所述第一可变磁化的取向的数位电流，其中，将所述数位电流施加到所述传导数位线，使得所述第一可变磁化的取向不与所述第一易磁化轴对准。
6.权利要求5的MRAM设备，其中，将所述数位电流施加到所述传导数位线，使得所述第一可变磁化的取向与所述第一易磁化轴正交。
7.权利要求1的MRAM设备，进一步包括固定磁元件；和隧道阻挡元件，其位于所述自由磁元件和所述固定磁元件之间。
8.权利要求1的MRAM设备，进一步包括传导写入线，用于向所述磁极化器提供自旋转移写入电流。
9.权利要求1的MRAM设备，其中所述磁极化器包括第一极化元件，其具有所述第一可变磁化和第一易磁化轴；和第二极化元件，其具有第三可变磁化和所述第一易磁化轴，所述第三可变磁化在缺省条件下与所述第一可变磁化反平行。
10.权利要求9的MRAM设备，进一步包括传导数位线，用于提供将所述第三可变磁化的取向切换为偏离所述第一易磁化轴的数位电流。
11.权利要求10的MRAM设备，其中所述数位电流切换所述第一可变磁化和所述第三可变磁化的取向，由此所述第一可变磁化与所述第三可变磁化反平行。
12.一种磁随机存取存储器(MRAM)设备，包括磁极化器，其具有第一可变磁化和定义了所述第一可变磁化的天然取向的第一易磁化轴；自由磁元件，其具有第二可变磁化和定义了所述第二可变磁化的天然取向的第二易磁化轴，所述第二易磁化轴与所述第一易磁化轴正交；以及传导隔层元件，其位于所述磁极化器和所述自由磁元件之间。
13.权利要求12的MRAM设备，其中所述自由磁元件是通过使用同所述磁极化器的自旋转移相互作用的角度依赖而选择性地被编程的。
14.权利要求12的MRAM设备，进一步包括导线，用于提供将所述第一可变磁化的取向切换为偏离所述第一易磁化轴的电流。
15.权利要求14的MRAM设备，其中，将所述电流施加到所述导线，以将所述第一可变磁化的取向切换为与所述第一易磁化轴正交。
16.权利要求14的MRAM设备，进一步包括固定磁元件；和隧道阻挡元件，其位于所述自由磁元件和所述固定磁元件之间。
17.权利要求14的MRAM设备，进一步包括第二导线，用于向所述磁极化器提供自旋转移写入电流。
18.权利要求14的MRAM设备，其中所述磁极化器包括第一极化元件，其具有所述第一磁化和所述第一易磁化轴；和第二极化元件，其具有第三磁化和所述第一易磁化轴，所述第三磁化在缺省条件下与所述第一磁化反平行。
19.权利要求18的MRAM设备，其中所述电流将所述第三可变磁化的取向切换为偏离所述第一易磁化轴，其中所述电流切换所述第一可变磁化和所述第三可变磁化的取向，由此所述第一可变磁化与所述第三可变磁化反平行。
20.一种用于将数据写入磁随机存取存储器(MRAM)设备的方法，所述MRAM设备包括多个MRAM单元，每个MRAM单元包括具有第一可变磁化的磁极化器和具有第二可变磁化的自由磁元件，所述方法包括将公共数位电流施加到所述多个MRAM单元的行，所述行包括指定写入的MRAM单元；对于所述行中的每个MRAM单元，响应所述公共数位电流，切换所述第一可变磁化的取向；将公共写入电流施加到所述多个MRAM单元的列，所述列包括所述指定写入的MRAM单元；以及对于所述指定写入的MRAM单元，响应所述公共写入电流，将所述第二可变磁化的取向选择性地切换到写入状态，同时保持所述列中的其他的MRAM单元的所述第二可变磁化的取向。
全文摘要
使用自旋转移反射模式技术可以选择性地写入磁随机存取存储器(MRAM)设备(200)。通过自旋转移切换电流对MRAM单元中的极化器元件(204)和自由磁元件(208)的磁化之间的相对角度的依赖关系，实现了MRAM阵列中的指定MRAM单元的选择性。极化器元件具有可变磁化，其可以响应电流施加而改变，例如，响应数位电流(226)的施加而改变。当极化器元件的磁化处于天然的缺省取向中时，保持MRAM单元中的数据。当切换极化器元件的磁化时，可以响应相对低的写入电流(224)的施加，将数据写入MRAM单元。
文档编号G11C11/00GK101036195SQ200580034110
公开日2007年9月12日 申请日期2005年9月27日 优先权日2004年10月22日
发明者弗雷德里克·B·曼科夫, 布雷德利·N·恩格尔, 尼古拉斯·D·里佐 申请人:飞思卡尔半导体公司