CN100573707C - 利用磁畴牵引的磁存储器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用磁畴牵引的磁存储器件。该磁存储器件包括：存储区域、输入部件和检测部件。所述存储区域包括具有毗邻的分区和磁畴壁的自由层、形成为与所述分区对应且具有固定的磁化方向的被钉扎层、以及形成在所述自由层与所述被钉扎层之间的非磁层。所述存储区域包括用于使所述磁畴壁停止的磁畴壁截止器，其形成在所述分区的各边界处。所述输入部件电连接到所述自由层的一端从而输入用于磁畴牵引的牵引信号。所述检测部件测量流过所述存储区域的电流。

Description

利用磁畴牵引的磁存储器件
技术领域
本发明涉及磁存储器件，更特别地，涉及利用磁畴牵引(magnetic domaindragging)能读和写多位数据的磁存储器件。
背景技术
磁随机存取存储器(MRAM)是一种非易失性存储器件。
MRAM包括例如作为开关器件的晶体管和用于存储数据的磁隧道结(MTJ)单元。通常，MTJ单元包括具有被钉扎的磁化方向的被钉扎铁磁层、具有可改变为与所述被钉扎铁磁层的磁化方向平行或反平行的磁化方向的自由铁磁层、以及设置于所述被钉扎铁磁层与所述自由铁磁层之间的非磁层。
然而，MRAM的数据存储能力受到限制，因为每个MTJ单元通常仅存储一位数据。因此需要一种新的存储方法从而提高磁器件例如MRAM的数据存储能力。
发明内容
本发明提供一种磁存储器件，通过利用磁畴牵引定位形成在该存储器件的自由层的磁畴壁，所述磁存储器件能存储多个状态的数据。
根据本发明的一个方面，提供一种利用磁畴牵引的磁存储器件，该磁存储器件包括：存储区域，包括其中形成有磁畴壁的具有毗邻的分区的自由层、形成为对应于所述分区且具有固定磁化方向的被钉扎层、以及形成在所述自由层和所述被钉扎层之间的非磁层，其中用于使磁畴壁停止的磁畴壁截止器形成在所述分区之间的各边界处；输入部件，电连接到所述自由层的端部从而输入用于磁畴牵引的牵引信号；以及检测部件，用于检测流过所述存储区域的电流。
所述磁畴壁截止器可以是形成在各分区的边界处的钉扎槽。
所述每个钉扎槽可以是在各分区之间的所述边界处彼此面对地形成的成对的钉扎槽。
所述分区在形状上可以是梯形，所述磁畴壁截止器可以是通过一个分区的短边和相邻分区的长边交汇的部分形成的边界线。
自由层的两端可以具有尖锐形状。
每个分区的长度可以大于所述磁畴壁的长度。
所述磁存储器件可以包括连接到所述自由层的一端的位线和连接到所述自由层的另一端的晶体管。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得明显，附图中：
图1是根据本发明一实施例的磁存储器件的剖视图；
图2是根据本发明一实施例的图1的存储区域的透视图；
图3是一系列图示，示出图2的存储区域30的电阻与磁畴壁的位置的相互关系；
图4A至4C是示出根据本发明的磁存储器件的操作方法的图示；
图5是根据本发明另一实施例的存储区域的透视图；以及
图6是一系列图示，示出图5的存储区域的电阻与磁畴壁的位置的相互关系。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出本发明的示例性实施例。
图1是根据本发明一实施例的磁存储器件的剖视图。
参照图1，掺杂以杂质的源极S和漏极D形成在衬底10中，栅极氧化物膜21和栅极电极20顺序堆叠在衬底10的位于源极S和漏极D之间的部分上。存储数据的存储区域30形成在栅极电极20之上。存储区域30的上部分具有电连接到位线51的一端和通过导线52电连接到漏极D的另一端。
存储区域30可以由巨磁致电阻(GMR)材料形成。存储区域30包括具有被固定的磁化方向的被钉扎层31、形成在被钉扎层31上的非磁金属层32、以及形成在非磁金属层32上且具有能翻转的磁化方向的自由层33。非磁金属层32可以由Cu形成。自由层33包括多个分区(sector)。磁畴壁DW(参照图2)形成在自由层33处。存储区域30的电阻依赖于磁畴壁DW的位置而变化，利用此电阻变化可表示数据。附图标记60表示绝缘层。
图2是根据本发明一实施例的图1的存储区域30的透视图。
参照图2，五个分区S0～S4形成在自由层33中，成对的钉扎槽(pinninggroove)P1～P4形成在分区的各边界。分区S0连接到位线51，分区S4电连接到漏极D。两个磁畴形成为在自由层33彼此面对，一个磁畴壁DW形成在所述磁畴之间。磁畴壁DW能变化地位于磁畴壁截止器处。
根据本发明一实施例，磁畴壁截止器包括钉扎槽P1～P4的对。
磁畴壁DW可以位于钉扎槽P1、P2、P3和P4的每个处，且磁畴壁DW的每个位置表示一信息。具有一个磁化方向的磁畴形成在被钉扎层31处。
当小于预定临界电流的脉冲电流施加到自由层33的一端，磁畴壁DW不移动，而是保持在位于一对钉扎槽之间的位置。另一方面，当大于临界电流的脉冲电流施加到自由层33时，磁畴壁SW从施加该电流之前其位于的一对钉扎槽之间移动且停止于一对相邻的钉扎槽之间。此时，磁畴壁DW移动的方向由脉冲电流的方向确定。临界电流可以由钉扎槽的形状确定。
分区S0和S4的端部逐渐变细至一点从而防止其它磁畴壁DW形成在分区S0和S4。
磁畴壁DW的长度依赖于用于形成自由层33的磁材料而变化且大约在30至80nm的范围。每个分区的最小长度L应长于磁畴壁DW的长度。
每钉扎槽形成为对，但是本发明不限于此。例如，每磁畴壁截止器可以由一个钉扎槽形成。
图3是一系列图示，示出图2的存储区域30的电阻与磁畴壁DW的位置的相互关系。
参照图3，在状态0～3的每个中，磁畴壁DW位于自由层33的成对的钉扎槽P1～P4的一对之间。参照图3的状态0，当对应于分区S1～S3的被钉扎层31的磁化方向在箭头B所表示的方向上时，包含在存储区域30中的自由层33的磁化方向平行于被钉扎层31的磁化方向，且因此存储区域30的电阻最小。
在状态1中，磁畴壁DW位于钉扎槽P2的对之间，自由层33的磁化方向分为反平行于被钉扎层31的磁化方向的分区S1和平行于被钉扎层31的磁化方向的分区S2和S3。
随着存储区域30从状态1变为状态2和状态3，磁畴壁DW向图3的右向移动。因此，自由层33的具有与所述磁化方向反平行的磁化方向的区域变长，这增大了存储区域30的电阻。
因为存储区域30的电阻依赖于磁畴壁DW的位置而变化，确定存储区域30处于状态0～3的哪一个可以通过测量流经存储区域30的电流的量来实现。因此，通过在存储区域30中写和读状态0～3可实现信息存储器件。
现在将参照附图描述操作根据本发明的该磁存储器件的方法。
图4A至4C是示出根据本发明的磁存储器件的操作方法的视图。参照图4A，磁畴壁DW初始位于存储区域30中的钉扎槽P1。存储区域30的电阻在最小处，因为分区S1～S3的磁化方向平行于被钉扎层31的磁化方向。
接着，当比临界电流高的可以克服钉扎槽P1的正脉冲电流(磁畴牵引脉冲电流)施加到自由层33的输入端时，磁畴壁DW向图中的右向移动，如图4B所示。脉冲电流的持续时间为从约0.2至1.0ns的范围。该持续时间可以依赖于分区的长度而变化。临界电流可以依赖于钉扎槽的形状而改变。
同时，当高于临界电流的负脉冲电流施加到自由层33的输入端时，磁畴壁DW向图中的左向移动。以此方式，磁畴壁DW可以通过将正或负脉冲电流施加到自由层33的输入端而移动，此过程对应于写信息过程。
参照图1，写信息过程可通过将高于临界电流的正电流施加到与自由层33的输入端连接的位线51且在晶体管的栅极电极20施加高于阈值电压的电压来寻址一个存储区域30。位线51用作输入用于磁畴牵引的牵引信号的输入部件。
接着，将描述读取存储在存储区域30中的信息的方法。参照图4C，预定电压施加到自由层33的输入端，然后测量流经存储区域30的电流。因为可以从所测得的电流计算存储区域30的电阻，所以可以利用所测量的电流读取存储区域30表示的信息。
参照图1，信息读取通过向位线51和栅极电极20施加电压来寻址一个存储区域30。另外，流经存储区域30的电流可以通过连接到源极电极S的检测部件(未示出)而被测量。检测点可以是电流计。
图5是根据本发明另一实施例的存储区域130的透视图。
参照图5，分区S0～S4形成在自由层133处，磁畴壁截止器DWS1～DWS4形成在分区之间。分区S0～S3在形状上是梯形，且具有短平行边和长平行边。分区(例如S1)的短边接触另一分区(例如S2)的长边的部分对应于磁畴壁截止器(例如DWS2)。
分区S0连接到线51(参照图1)，分区S4电连接到漏极D(参照图1)。在自由层133彼此面对地形成两个磁畴，因此形成磁畴壁DW。当磁畴壁DW分别位于磁畴壁截止器DWS1、DWS2、DWS3和DWS4时，它们每个表示一信息。具有固定磁化方向的磁畴形成在被钉扎层131的与所述分区对应的区域中。
当小于预定临界电流的脉冲电流施加到自由层133的输入端时，磁畴壁DW不能通过截止器且因此不移动。另一方面，当大于临界电流的脉冲电流施加到自由层133的输入端时，磁畴壁DW能通过截止器且停止在相邻的截止器。因为分区中长边的区域比短边区域具有更高的能量，所以已经进入另一分区的磁畴壁DW自身朝向截止器位置移动，所述截止器位置为具有较低能量的短边位置。
磁畴壁DW的长度依赖于用于形成自由层33的磁材料而变化，且在从约30至80nm的范围。每个分区的长度L应长于磁畴壁DW的长度。
图6是一系列图示，示出存储区域130的电阻与磁畴壁DW的位置的相互关系。
参照图6，状态0～3中，磁畴壁DW位于自由层133处磁畴壁截止器DWS1～DWS4之一处。当对应于分区S0～S4的被钉扎层131的磁化方向在箭头B所示的方向上时，对于状态0存储区域130中自由层133的大多数磁化方向平行于被钉扎层131，因此存储区域130的电阻在最小处。
在状态1中，畴壁DW位于磁畴壁截止器DWS2，自由层133的分区S1的磁化方向变为反平行于被钉扎层131的磁化方向。因此，状态1中存储区域的电阻大于状态0时存储区域的电阻。
随着存储区域130从状态1变为状态2和状态3，磁畴壁DW向图6的右向移动。因此，自由层133的具有与所述磁化方向反平行的磁化方向的区域变长，这增大了存储区域130的电阻。
因为存储区域130的电阻依赖于磁畴壁DW的位置，所以确定存储区域130处于状态0～3的哪个可以通过测量由于所施加的电压而流经存储区域130的电流的量来实现。因此，通过写和读存储区域130中的状态0～3可以实现信息存储装置。
因为根据图2至4所示实施例的在存储区域上写信息和读信息的方法与根据图5和6所示实施例的方法基本相同，所以将省略其详细描述。
如上所述，根据本发明利用磁畴牵引的磁存储器件可以用来存储多个信息(数据)，所述数目与存储区域中形成的磁畴壁截止器的数目相同。
因此，根据本发明的磁存储器件可以提高数据存储能力。因此，磁器件例如具有提高的数据存储能力的MRAM可以通过应用本发明而实现。

Claims (10)

1.一种利用磁畴牵引的磁存储器件，该磁存储器件包括：
存储区域，包括：
其中形成磁畴壁的具有毗邻的分区的自由层；
被钉扎层，形成为与所述分区对应以具有与所述自由层至少相同的
长度，且具有固定的磁化方向；以及
非磁层，形成在所述自由层与所述被钉扎层之间，
其中用于使所述磁畴壁停止的磁畴壁截止器形成在所述分区之间
的各边界，所述存储区域的电阻依赖所述磁畴壁的位置而变化；
输入部件，电连接到所述自由层的端部从而输入用于磁畴牵引的牵引信号；以及
检测部件，用于测量流过所述存储区域的电流。
2.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述磁畴壁截止器是形成在各分区之间的边界处的钉扎槽。
3.如权利要求2所述的磁存储器件，其中所述钉扎槽成对的形成且彼此面对地形成在各分区之间的边界处。
4.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述分区具有梯形形状，所述磁畴壁截止器是通过一个分区的短边与相邻分区的长边交汇的部分形成的边界线。
5.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述自由层的两端具有尖锐形状。
6.如权利要求1所述的磁存储器件，其中每个分区的长度长于所述磁畴壁的长度。
7.如权利要求1所述的磁存储器件，还包括：
连接到所述自由层的端部的位线；以及
连接到所述自由层的另一端的晶体管。
8.如权利要求7所述的磁存储器件，其中所述输入部件是位线，所述检测部件是连接到所述晶体管的电流计。
9.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述非磁层由金属形成。
10.如权利要求1所述的磁存储器件，其中所述非磁层由Cu形成。
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