CN100403447C - 磁阻随机存取存储器写入装置及方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种MRAM单元(10)及其编程方法。该单元包括磁性材料的自由层(12)，该磁性材料在谐振频率处铁磁谐振，铁磁谐振具有大于1的品质因数。一难磁化轴写线和一易磁化轴写线设置为与所述自由层磁连通。一包层(62)部分环绕所述难磁化轴写线，并具有类似的谐振频率，铁磁谐振Q大于一。包括所述谐振频率的写信号施加到难磁化轴写线(20)，同时一写入脉冲施加到所述易磁化轴写线(21)。该单元和包层的Q相乘而大大增加了反转磁场，或者说减小了提供相同的磁场所需要的电流。
Description
技术领域
本发明涉及磁阻型的信息存储器，特别涉及对磁阻存储器写入或编程的装置和方法。
背景技术
磁阻随机存取存储器(MRAM)的结构由多个存储单元或存储单元的阵列以及多个相交的数字线(digit line)和位线组成。通常使用的磁阻存储单元由磁隧道结(MTJ)、隔离晶体管以及数字线和位线的交点组成。然而，应该理解本发明不限于MTJ单元，使用这种类型的单元和相关的电路仅为了示例的目的。隔离晶体管通常为N沟道场效应晶体管(FET)。互连叠层将隔离晶体管连接到MTJ器件、位线、以及数字线，用于产生编程MRAM单元的部分磁场。
MTJ存储单元通常包括形成下部电接点的非磁性导体、钉扎(pinned)磁性层、设置在钉扎层上的隧道阻挡层、以及设置在隧道阻挡层上的自由磁性层，上部接点位于自由磁性层上。
磁性材料的钉扎层具有总是指向相同方向的磁矢量。自由磁性层的磁矢量是自由的，但受层的物理尺寸和其它的各向异性约束，指向两个方向中的任何一个。将MTJ单元连接在电路中以使电流垂直地从一层流向另一层而流过单元。MTJ单元可以在电学上表示为电阻器，电阻的大小取决于磁矢量的取向。本领域中的技术人员应该理解，当磁矢量方向不一致(指向相反方向)时，MTJ单元具有较高的电阻，当磁矢量方向一致时，具有较低的电阻。MTJ存储单元的制造和工作的其它信息可以在专利No.5,702,831中找到，题目为“Multi-Layer Magnetic Tunneling Junction Memory Cells”，1998年3月31日授权，作为参考引入。
位线通常与MTJ单元阵列的每列相联，数字线与阵列的每行相联。位线和数字线用于对阵列中各单元寻址，用于对阵列中的信息读出、写入或编程。通过使预定的电流穿过在选定的单元交叉的数字线和位线，可以完成选定单元的编程。在标准的存储器结构中普遍存在几个问题，包括高编程电流以及编程期间紧密组合的单元之间间隔不足。
由此，需要提供改进的MRAM存储器及编程方法，以克服这些问题。
附图说明
从下面结合附图的详细说明中，对于本领域中的技术人员来说本发明的具体目的和优点将变得显而易见，其中：
图1示出了根据本发明的MTJ存储单元的简化剖面图；
图2示出了图1中的自由磁性层的简化俯视图，示意性地示出了磁矢量的移动；
图3示出了图1的自由磁性层谐振的品质因数Q的曲线；
图4示出了图1的自由磁性层的磁矢量移动的模拟曲线；
图5示出了施加到易磁化轴的写脉冲的曲线图；
图6示出了施加到难磁化轴的包括相关的谐振频率的写信号的曲线图；
图7示出了在图5和6所示的脉冲和信号的激励下，图1的自由磁性层的磁矢量移动的模拟曲线；
图8示出了图1的自由磁性层的俯视图中的简化图，示出了当施加包括基本(prime)模式或零模式的谐振频率信号时的均匀磁化；
图9示出了图1的自由磁性层的俯视图中的简化图，示出了当施加包括高阶模式的谐振频率信号时的非均匀磁化；
图10示出了包括高阶谐振频率信号的写信号的曲线图；
图11示出了包括高阶谐振频率信号的写信号的另一曲线图；
图12示出了包括高阶谐振频率信号的写信号的又一曲线图；以及
图13示出了根据本发明具有包层的难磁化轴写线的等轴测图。
具体实施方式
现在参考附图特别是图1，其示出了在本公开中使用的磁隧道结(MTJ)单元100的简化剖面图，以简要说明这种类型存储单元的工作。本领域的技术人员应该理解其它类型的磁阻存储单元(MRAM)可以与本发明结合使用，介绍的MTJ仅为示例性的目的。MTJ单元100包括一对磁性材料层11和12。层11和12具有夹在其间的隧道阻挡材料层14。本领域中公知，层11和12的每一个通常由多层或多个磁性材料的子层形成，例如钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)等。层14由一些不导电材料形成，例如氧化铝、氮化铝或类似物。
磁性材料层中的一层，在本说明书中为层11，具有较大的反转磁场(switching field)，当外加场小于反转磁场时，由箭头16表示的磁矢量即下文中的矢量16总是指向相同的方向(钉扎)。由箭头17表示的层12的磁矢量即下文中的矢量17具有较小的反转磁场，是自由的，但受层12的物理尺寸约束，当外加磁场大于它的反转磁场时，指向两个方向的任何一个中(由双箭头表示)。MTJ单元的制造和工作的其它信息可以在专利No.5,702,831中找到，题目为“Multi-Layer Magnetic Tunneling Junction Memory Cells”，1998年3月31日授权，其作为参考引入。
将单元10连接在电路中，以使电流从层11或12中的一个流到另一个而垂直地流过单元10。单元10电学上可以表示为电阻器，电阻的大小取决于磁矢量16和17的取向。本领域中的技术人员应该理解，当磁矢量16和17方向不一致(指向相反方向)时，单元10具有较高的电阻，当磁矢量16和17方向一致时，具有较低的电阻。
单元10还具有一对正交设置的写线20和21与其磁连通(magnetic communication)。通常，在典型的存储单元阵列(未示出)中，写线20的取向与单元的一列相邻，写线21与单元的一行相邻。也就是，阵列中的每列单元具有与写线20类似的相关写线，每行单元具有与写线21相关的写线。此外，通过在交叉于被选定或被寻址单元的写线中流动的电流组合可以获得转换阵列中任何被选定单元10的自由磁矢量(矢量17)所需要的磁场量。
再参考图2，可以看出单元10的至少层12具有通常为矩形的截面，纵轴平行于矢量17延伸，横轴垂直于矢量17延伸。实际中，层11和14可以具有不同的结构，但本发说明中为简明起见，图示为具有类似于层12的形状。此外，虽然在本例中写线20设置在单元10之上并且写线21设置在单元10之下，但是也可以使用其它位置，只要线20和21中的电流产生的磁场足以提供需要的反转作用。在该优选实施例中，平行于纵轴的磁轴称做易磁化轴，平行于横轴的磁轴称做难磁化轴。此外，在该优选实施例中，设置写线20以产生平行于难磁化轴的磁场，设置写线21以产生平行于易磁化轴的磁场。
由写线20中流动的电流产生的磁场足以将矢量17顺时针部分转换到位置17a或者逆时针部分转换到位置17b中。在写线21中流动的电流必须足够大以产生使矢量17移动大于90度的剩余钝角的磁场，使该矢量反转为指向相反的方向。在现有技术中，几纳秒到几十纳秒长的电流脉冲(DC)同时施加到每个写线20和21。当然本领域中的技术人员应该理解同时施加到写线20和21的电流在脉冲时间内使矢量17完全反转，以上介绍的部分反转仅是为了说明。
单元10(通常为层12)具有铁磁谐振，频率近似正比于Ms(HK±HE)的平方根，其中Ms为饱和磁化强度，HK为形成层12的材料的各向异性磁场。应该理解各向异性磁场HK包括如形状各向异性和本征各向异性等因素。此外，应该理解沿易磁化轴产生的场激励(为方便用HE表示)从整个各向异性磁场HK中减去或加上整个各向异性磁场HK。
当易磁化轴激励处于反转单元10的方向上时，从HK减去HE，由此，在单元10的通常的反转过程中，沿易磁化轴的激励降低了单元10(特别是层12)的铁磁谐振频率。该现象包含在术语“谐振频率”或“相关谐振频率”中，它们被定义为正常工作期间单元的谐振频率。
再参考图3，示出了图1的自由磁性层12的谐振的品质因数Qb的曲线图，其中品质因数定义为在给定频率下振荡的幅值与DC下振荡幅值的比值。第一峰值23示出了磁性层12的振荡频率，第二峰值24示出了写信号施加到易磁化轴(写线21)上时被降低的磁性层12谐振频率。从该曲线中可以看出在典型的位线或单元10中，如上所述，具有约90奥斯特(Oe)的总各向异性磁场Hk，位线或单元10的铁磁谐振约1.7GHz，品质因数(Qb)在谐振频率处急剧地达到最高峰。此外，可以看出没有施加的易磁化轴信号的相邻单元将具有稍小于3GHz的谐振频率。在该特定的例子中，铁磁谐振处的Qb比DC或零频率处的Q大三到四倍，通常大于1。如果以谐振频率施加反转磁场，那么单元10的响应将比使用非谐振频率约大Qb倍。因此，在谐振频率，给定的转换或写入电流将产生大Qb倍的有效电场。
这里应该指出谐振时品质因数Q的尖峰将使单元10增加一些额外的选择性。增加该选择性是由于施加到易磁化轴的脉冲倾向于减弱被寻址的单元铁磁谐振。不受施加到易磁化轴的脉冲影响的任何相邻单元将具有较高的相关谐振频率。由此，对于可能受被寻址单元的写电流影响的相邻单元，相信其铁磁谐振通常处于较高的频率。从而，施加到被寻址单元的写电流不太可能足够大以产生对任何相邻单元的反转作用。
该谐振频率响应表示在图4中，其中示出了包括0度处的第一谷、90度处的能量势叠垒以及180度处的第二谷的能量轨迹25。能量谷表示矢量17的两个稳定位置(图1)，能量势垒表示由一个稳定位置转换到另一个稳定位置需要的能量。第一球27表示以DC脉冲施加到难磁化轴时的矢量17，第二球28表示以谐振频率施加到难磁化轴时的矢量17。由DC脉冲驱动的球27比由谐振频率驱动的球28需要更多的能量来越过能垒。
这里应该注意示出的能量系统有时称做“软”系统，因为在能量势垒的顶点附近能量势垒的坡度减小。由于能量坡度的所述减少，在该区域中的相关谐振频率减小。因此，随着坡度的改变，施加到难磁化轴的电流频率可以改变以进行最佳的能量传递。因此，在一些特定实施例中，可以在单元10的谐振频率提供几个周期的电流，并且随着能量曲线的坡度的改变稍微改变频率。这种可变的频率信号可以由非正弦的或非谐波的写入信号组成。
在该具体实施例中，电流脉冲30(图5中所示)施加到写线21或易磁化轴。脉冲30约30纳秒长。包括相关谐振频率的多个周期(图6中的曲线所示)的写入信号31同时施加到写线20或难磁化轴。这里应该注意，在本优选实施例中，脉冲30和写入信号31分别施加到易和难磁化轴，但在一些具体应用中它们可以颠倒过来。再参考图7，曲线示出了在施加到写线20和21的电流的促进下，自由磁性层12(图1)的磁矢量17的移动。该图是在90奥斯特的Hk和40奥斯特的HE的单畴颗粒中进行位反转的Landau Lifshitz模拟产生的。
在图7中，三个峰35，36和37表示将三个周期的谐振频率施加到写线20。可以看出，峰35，36和37逐渐变高，表示施加的写电流的每个周期将磁矢量17在其反转方向反冲击得更远些，直到能量势垒最终被克服，矢量17反转到相反的稳定位置(由40表示)。写入电流的任何附加周期(42所示)几乎没有影响，因为矢量17已经反转，易磁化轴电流现在处于非反转方向中。由以上的模拟计算出的反转磁场显示出施加到难磁化轴的DC反转脉冲需要25奥斯特的磁场以产生反转，施加到难磁化轴的约1.7GHz(谐振频率)的反转信号需要9奥斯特的磁场以产生反转。
当然本领域中的技术人员应该理解层12实际上包括大量很小的相干磁场子单元(图8中的箭头50表示)，其中可以假设磁化均匀。此外，应该理解磁矢量17仅表示子单元50的平均磁取向。参考子单元50，当以谐振频率向难磁化轴施加磁场时，每个子单元50受直接施加到它的磁场的影响。在图8中，以谐振频率施加磁场包括均匀磁化模式。在均匀的磁化模式中，在层12的宽度方向上，子单元50的磁化方向基本上相同。
再参考图9，以较高的频率(包括下文称做非均匀磁化模式的谐振高次模式)施加磁场，以便在层12的宽度方向上产生一个或多个磁节点(magnetic node)。由此，各子单元50指向不同的方向。本领域中的技术人员知道这就是产生了磁振子。然而，应该注意矢量17仍然表示平均方向。由于子单元50的不同移动，幅值M减少，从而使形状各向异性减少，磁化的反转(矢量17的反转)更容易。因此，在一些具体应用中，通过反转脉冲56的一个边沿处的过冲头峰(overshoot spike)55将高频场能量转入位线10内，可以减小所需的反转磁场，如图10所示。高频能量可以以调制到转换脉冲59上的一个或多个高频58的形式交替地施加到单元10上，如图11所示，或者可以以双极尖峰的形式施加到难磁化轴，如图12所示。这里，当然应该理解为写信号31(参见图6)可以是较高的频率信号或者含有较高的频率信号。
下面参考图13，示出了根据本发明其上形成有包层62的难磁化轴写线60的等轴测图，其中包层62环绕难磁化轴写线60的至少一部分。包层62由使写线60产生的大部分或所有磁场指向相关单元的磁性材料形成。对包层的结构和操作的更完整说明可以在美国专利No.5,659,499中找到，题目为“magnetic Memory and MethodTherefore”，在这里作为参考引入。
这里，应该注意磁包层62也具有与(MSHK)的平方根成正比的磁谐振，其中MS为饱和磁化，HK为形成包层62的材料的各向异性磁场。如前所述，各向异性磁场HK包括如形状各向异性和和本征各向异性等因素。例如，通过调节包层62的厚度，可以调节各向异性磁场HK以便包层62的谐振频率基本上等于单元10的谐振频率。此外，当施加到难磁化轴写线60的电流处于谐振频率时，对典型的铁磁材料可实现2到4的品质因数Qc，然而也可以更大或更小。因此，包层的磁化旋转将大Qc倍，从而当谐振工作时包层产生的磁场将大Qc倍。此外，当调节包层62的谐振频率以便它基本上与单元10的谐振频率相同时，谐振工作时磁场的总有效增加约正比于QbQc，或者说对于约1/QbQc的更小电流可施加相同的磁场，当然应该理解改进的单元和改进的包层均可以单独使用或者相互结合使用以产生更多的优点。
由此，公开了一种新颖和改进的MRAM写入装置和写入或编程方法。结合难或易磁化轴使用谐振频率写入信号不会引入任何实质的复杂性，并且可以实质性地减小写操作需要的能量(电流)。此外，在单元的铁磁谐振时使用包层增加了外加磁场并进一步减少了需要的写电流。此外，由于铁磁谐振处的高品质因数，相信阵列中的单元将更有选择性，从而使被寻址单元的写电流不容易使相邻单元反转。
虽然示出和介绍了本发明的具体实施例，对于本领域中的技术人员来说仍可以进行其它的修改和改进。因此，应该理解，本发明不限于所说明的特定形式，权利要求应覆盖不脱离本发明的精神和范围的所有修改。
Claims (11)
1.一种MRAM写入装置，包括：
MRAM单元，包括磁性材料的自由层，该磁性材料具有在谐振频率处的铁磁谐振；
设置为与磁性材料的所述自由层磁连通的难磁化轴写线；
设置为与磁性材料的所述自由层磁连通的易磁化轴写线；以及
难磁化轴写线和易磁化轴写线中的一个耦合接收包括所述谐振频率的写信号。
2.根据权利要求1的MRAM写入装置，其中磁性材料的所述自由层形成有纵轴线和横轴线，所述难磁化轴平行于横轴线取向，所述易磁化轴平行于纵轴线取向。
3.根据权利要求2的MRAM写入装置，其中包括所述谐振频率的所述写信号耦合到所述难磁化轴。
4.根据权利要求3的MRAM写入装置，其中包括一个脉冲的一个写信号耦合到所述易磁化轴。
5.根据权利要求4的MRAM写入装置，其中施加包括所述脉冲的所述写信号期间改变所述谐振频率。
6.一种MRAM写入装置，包括：
MRAM单元，包括磁性材料的自由层；
设置为与磁性材料的所述自由层磁连通的难磁化轴写线；
设置为与磁性材料的所述自由层磁连通的易磁化轴写线；以及
部分环绕难磁化轴写线和易磁化轴写线中的一个的包层，该包层具有在包层谐振频率处的铁磁谐振；
由包层部分环绕的难磁化轴写线和易磁化轴写线中的所述一个耦合接收包括所述包层谐振频率的写信号。
7.一种MRAM写入装置，包括：
MRAM单元，包括磁性材料的自由层，该磁性材料在谐振频率处铁磁谐振，该磁性材料的自由层的铁磁谐振具有从1到4的范围内的品质因数，所述磁性材料的自由层包括材料和形状，所述谐振频率与包括在所速磁性材料的自由层中的所述材料和所述形状有关；
设置为与磁性材料的所述自由层磁连通的难磁化轴写线；
设置为与磁性材料的所述自由层磁连通的易磁化轴写线；以及
所述易磁化轴写线耦合接收一写脉冲，同时所述难磁化轴写线耦合接收包括所述谐振频率下的多个周期的写信号。
8.根据权利要求7的MRAM写入装置，还包括部分环绕所述难磁化轴写线的包层。
9.一种对MRAM单元写入或编程的方法，包括以下步骤：
提供MRAM单元，其包括磁性材料的自由层，该磁性材料具有谐振频率下的铁磁谐振；
提供难磁化轴写线，其设置为与磁性材料的所述自由层磁连通；
提供易磁化轴写线，其设置为与磁性材料的所述自由层磁连通；以及
将包括所述谐振频率的写信号施加到所述难磁化轴写线和所述易磁化轴写线中的一个上。
10.一种对MRAM单元写入或编程的方法，包括以下步骤：
提供MRAM单元，其包括磁性材料的自由层，该磁性材料具有谐振频率下的铁磁谐振，该铁磁谐振具有从1到4的范围内的品质因数；
提供难磁化轴写线，其设置为与磁性材料的所述自由层磁连通；
提供部分环绕所述难磁化轴写线的包层，该包层具有铁磁谐振，该包层的铁磁谐振频率近似类似于所述谐振频率；
提供易磁化轴写线，其设置为与磁性材料的所述自由层磁连通；以及
将包括所述谐振频率的写信号施加到难磁化轴写线，同时将一写脉冲施加到所述易磁化轴写线。
11.一种对MRAM单元写入或编程的方法，包括以下步骤：
提供MRAM单元，其包括磁性材料的自由层；
提供难磁化轴写线，其设置为与磁性材料的所述自由层磁连通；
提供易磁化轴写线，其设置为与磁性材料的所述自由层磁连通；
提供部分环绕所述难磁化轴写线和所述易磁化轴写线中的一个的包层，该包层具有在包层谐振频率处的铁磁谐振；以及
将包括所述包层谐振频率的写信号施加到由该包层部分环绕的所述难磁化轴写线和所述易磁化轴写线中的所述一个上。
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