CN101393962A - 具有多铁材料的磁阻传感器存储器 - Google Patents

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CN101393962A CNA2008101756970A CN200810175697A CN101393962A CN 101393962 A CN101393962 A CN 101393962A CN A2008101756970 A CNA2008101756970 A CN A2008101756970A CN 200810175697 A CN200810175697 A CN 200810175697A CN 101393962 A CN101393962 A CN 101393962A
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Abstract

一种包含磁阻传感器的存储器单元，该传感器包含多个层，其中一层为自由层。在读间隔中，该磁阻传感器传导用于代表存储在存储器单元中的数据的读电流。第一写导体传输在自由层中写入数据的写电流。至少有一个层包含由多铁材料构成的多铁层。

Description

具有多铁材料的磁阻传感器存储器
技术领域
本发明总体涉及数据存储器，并且更为具体地但不局限于非易失性数据存储器。
背景技术
现有的固态非易失性存储器设备比如MRAM、闪存、旋转RAM就长期非易失性而言或就存储器大小而言，都具有有限的大小(与磁盘驱动相比)和实际的性能限制。尤其是关于MRAM的一个技术难题是向交叉点上的一个选中的存储器单元上写内容而没有不适当地将位于同一列或行的其他存储器单元(如已选的存储器单元)暴露给足够的杂散磁区域从而导致杂散写，换句话说，写错误。
当针对已选择的存储器单元的相同行或列上的其他存储器单元维持高噪声空白时，向已选择的存储器单元写数据的能力需要被改进。
本发明的多个方面为这些和其他问题提供了解决方案，并且提供了相对于现有技术的其他优势。
发明内容
下面将描述的是存储器单元阵列的方面。存储器单元阵列至少包括行写导体。每一个存储器单元包括具有自由层的多个层的磁阻传感器。在读间隔中，这个磁阻传感器传导用于表示存储在这个存储器单元中的数据的读电流。在写间隔中，写电流将数据写入磁阻传感器中。至少其中一层包括由多铁(multiferroic)材料构成的多铁层。
根据一个方面，多铁材料接收用于调制多铁材料的磁各向异性的调制电压。根据另一方面，该调制过程在写间隔中提供了相对较低的磁各向异性以及在读间隔中提供了相对较高的磁各向异性。根据另一个方面，磁阻传感器中的自由层包括多铁材料。
从以下的细节描述和相关附图浏览将会得到本发明的其他特点和优势。
附图说明
图1A，1B，1C，1D示出了存储器单元的第一个多铁随机存取存储器(MFRAM)阵列的方面。
图2A，2B，2C，2D示出了该存储器单元的第二个多铁随机存取存储器(MFRAM)阵列的方面。
图3示出了包括多铁材料的第一存储器单元的方面。
图4示出了包括多铁材料的第二存储器单元的方面。
图5示出了包括多铁材料的第三存储器单元的方面。
图6A，6B，6C示出了包括多铁材料的存储器单元中的层堆的方面。
具体实施方式
依据一个方面，存储器单元阵列包括：行写导体和与之交叉的列导体。行导体与列导体在交叉点处交叉。存储器单元被定位在交叉点的行和列导体之间。在交叉点，各个存储器单元都是可设定地址的。每个存储器单元包括具有多铁材料的层的磁阻传感器。多铁材料接收用于调制多铁材料的磁各向异性的调制电压。该调制过程在写间隔中提供了较低的磁各向异性。另一方面，在读间隔中磁各向异性也能被增加。然而，在另一个方面，磁阻传感器中的自由层包括多铁材料。
如本申请中所使用的，术语“多铁材料”指的是一种既具有压电属性又具有铁磁属性的材料。特别感兴趣的是在其中所加电场的振幅能改变铁磁性大小的多铁材料。施加于多铁材料的层的电压能够令它的振幅被调制从而调制多铁材料的电磁各向异性(或在一些实例中，是磁矩)。多铁材料可以包括于磁阻传感器的一个或多个自由层中，或者在磁阻传感器的其他层中。在磁阻传感器的层中使用多铁材料使得该层的磁性属性能够通过改变电压而进行改变。例如，磁性材料属性在写间隔中可以具有一个量级或方向并且在读间隔中可以具有不同的量级或方向。
如本申请中所使用的，术语“磁阻传感器”指的是磁性传感器，例如隧道连接器，旋转电子管，各向异性磁阻(AMR)传感器，特别地是指霍尔效应传感器之类的。
如本申请中所使用的，术语“隧道连接器”指的是包括一个或多个自由层和该设计中所包含的任何相邻层的层堆，例如，但不局限于，磁偏置层和障碍层。
此外，隧道连接器可以包括其他层，包括但不局限于有利于实施其他层和多层综合反铁磁性层(SAF)的子层。SAF通常包括铁磁层(比如参考层)，间隔层，第二铁磁层(比如针形层)和可选择的针形层。SAF包括由非磁性间隔层分开的两个铁磁层以使得这两个铁磁层反铁磁性地彼此耦合。
如本申请中所使用的，“自由层”指的是包括这种磁性材料的层，该磁性材料具有在施加的磁场影响下自由旋转的磁化方向。写操作期间施加的磁场，例如，反转自由层的磁矩。磁矩反转包括磁性传感器的电阻的改变。
如本申请中所使用的，“偏置层”指的是提供了移动或旋转自由层的初始磁性条件的磁场的可选层。偏置排列的变化能被用于比如硬偏置(永磁体)，逃偏置，软邻接层(SAL)偏置，螺旋条纹偏置，二重条纹偏置，销连接和被销接层，或其他已知磁性偏置技术。
如本申请中所使用的，“障碍层”指的是为相邻铁磁层之间的电流提供高阻抗障碍的非传导层。障碍层非常薄以至于在相邻铁磁层之间产生电荷载体的量子机械隧道效应。隧道效应过程是自旋相关的，这表示通过连接处的隧道电流依赖于相邻电磁层的自旋电子特性并且是两个相邻铁磁层的磁性方向的相对方位的函数。
图1A，1B，1C，1D示出了存储器单元100(比如代表性的存储器单元102)的第一多铁随机存取存储器(MFRAM)阵列的方面。图1A示出了存储器单元100的阵列的顶视图。图1B示出了存储器单元100的前截面图(沿着图1A中的剖面线1B-1B)。图1C示出了当存储器单元102被寻址时从存储器单元102到外部驱动和传感电路的连接的简化电气示意图。图1D示出了存储器单元102的倾斜视图。可以理解的是，存储器单元100的阵列，示例为16个存储器单元，通常包括更多数量的存储器单元。可以理解的是，存储器单元102是存储器单元100的阵列中的所有存储器单元的代表。存储器单元102的特点的描述同样适用于存储器单元100的阵列中的其他存储器单元。
在图1A中，写导体104，106，108，110被安排为在存储器单元100的阵列的同一面的行中。写导体112，114，116，118被安排为在存储器单元的阵列1400的第二相反面上的列中。存储器单元100的阵列包括行和列中的存储器单元的矩形阵列。存储器单元100通过行空间和列空间(例如行空间120和列空间122)彼此分隔。在一个方面中，行空间和列空间由电绝缘材料诸如氧化铝(未示出)填充。行空间和列空间足够宽从而为存储器单元之间提供足够的电和磁绝缘。
如图1A，1B，1C，1D所示，存储器单元102包括磁阻传感器124。磁阻传感器124包括多铁(MF)元件125(图1C，1D)。磁阻传感器124电连接于在单元102处彼此交叉的写导体110，112。写导体110，112为磁阻传感器124提供电连接(接触层)。在读时间间隔中，读电流134流经磁阻传感器124。在写时间间隔中，写导体110，112沿它们的长度传导写电流以为磁阻传感器124提供磁场(如图1D中所示的磁场127，130)。在写时间间隔中，导体110，112也给磁阻传感器124提供了写电压(V+，V-)。写电压调制了多铁层125的磁各向异性。
通过经过在单元102中交叉的写导体110和112传递的写电流126，128，以及通过向磁阻传感器124施加写电压(V+，V-)来寻址单元102进行写动作。如图1D中所示，沿写导体112流动的写电流126生成磁场部分127。沿着写导体110流动的写电流128生成磁场部分130。在磁阻传感器124内部，在有代表性的内部位置132，如图1D中所示，磁场部分127和130被近似地反转为另一个。磁场区域部分127，130在内部位置132处矢量相加从而提供比磁场部分127或磁场部分130都大的网络磁场133。
图1C示意性地示出了当选择单元102进行写入时(行)写电流128和(列)写电流126的电路路径。图1C示意性的示出了当选择单元102进行读出时，读电流134的电路路径。电流源136提供行写电流128。电流源138提供列写电流126。电压源140提供读电流134和写电压(V+，V-)。通过使用固态开关来选择在单元102中交叉的行和列导体110，112来选择单元102进行读和写访问。
图2A，2B，2C，2D示出了存储器单元例如有代表性的存储器单元202的第二多铁随机存取存储器(MFRAM)阵列200的方面。图2A示出了存储器单元200的阵列的顶视图。图2B示出了存储器单元200的阵列的前截面图(沿着图2A中的剖面线2B-2B)。图2C示出了从有代表性的存储器单元202到外部驱动和传感电路的连接的简化电气示意图。图2D示出了存储器单元202的倾斜视图。可以理解的是，存储器单元200的阵列，示例为16个存储器单元，通常具有更多数量的存储器单元。可以理解的是，存储器单元202是存储器单元200的阵列中所有存储器单元中的典型。存储器单元202的特性描述也适用于存储器单元200中的阵列的其他存储器单元。
在图2A中，将写导体204，206，208，210安排为在存储器单元200的阵列的同一面的行中。将写导体212，214，216，218安排在存储器单元的阵列200的第二相反面的列中。存储器单元200的阵列包括行和列中存储器单元的矩形阵列。存储器单元200通过行空间和列空间(比如行空间220和列空间222)彼此分隔。在一方面，行空间和列空间充满了电绝缘材料(未示出)比如氧化铝。行空间和列空间都足够宽以提供为存储器单元之间提供足够的电磁绝缘。行和列空间也被用于行和列读导体阵列(没有在图2A，2B，2D中示出)。
如图2A，2B，2C，2D所示，每一个单元(比如单元202)都包括磁阻传感器224。磁阻传感器224包括多铁元件225。磁阻传感器224被电连接到在单元202处彼此交叉的写导体210，212。写导体210，212给磁阻传感器224提供电连接(接触层)以通过磁阻传感器224传导写电流228。写导体210，212传送写电流给磁阻传感器224。写电流228流经磁阻传感器224，从而给磁阻传感器200提供内部磁场230。
通过经过在单元202处交叉的写导体210，212传导的写电流228寻址单元202以进行写入。图2C示意性地示出了当单元202被选择用于写入时的写电流228。写电流228生成越过磁阻传感器224的写电压(V+，V-)。写电压(V+，V-)调制多铁层225的磁各向异性(或其他磁属性)。图2C示出了当选择单元202进行读出的读电流234。电流源236提供写电流228。电压源240提供读电流234。通过使用固体状态开关(在图2C中未示出)选择在单元202处交叉的行和列导体210和212来选择(寻址)单元202进行写访问。通过使用固态开关(在图2C中未示出)来选择在单元202和电压源240之间进行连接的行和列读导体来选择(寻址)单元202进行读访问。
图3示出了包括多铁材料的第一存储器单元300的方面。存储器单元300在底层301上被支持。存储器单元300包括写导体302。写导体302在写时间间隔中传导写电流304。写电流304生成磁场306。磁场306穿过磁阻传感器308。磁阻传感器308包括多铁层310。绝缘层312将多铁层310和写导体302分隔开。存储器单元300包括电连接层314，316。电连接层314和316包括磁阻传感器308。在读间隔中，感应电流318流经电流层314，磁阻传感器308和连接层316。在写间隔中，通过连接层314，316和302将写电压施加于多铁层310。写电压调制多铁层310的磁性。在一方面，磁阻传感器308包括旋转值。写操作可以通过由电流生成的磁场(如图所示)或者可以是由于从写电流转换的旋转动量导致的(未示出)。
图4示出了包含多铁材料的第二存储器单元400的方面。存储器单元400在子层401被支持。存储器单元400包括写导体402，403。写导体402在写时间间隔中传导写电流404(I write2)。在写间隔中写导体403传导写电流405(Iwrite1)。写电流404生成磁场406。写电流405生成磁场407。磁场406，407经过磁阻传感器408。磁阻传感器408包括多铁层410。绝缘层412将多铁层410和写导体403分隔。存储器单元400包括连接磁阻传感器408的传感连接层414。在读间隔中，传感电流(I sense)418流经连接层414，磁阻传感器408和写导体402。在写间隔中，通过连接层414和写导体418将写电压施加于多铁层410。写电压调制多铁层410的磁性。在一方面，磁阻传感器408包括旋转值。写操作可以通过由电流生成的磁场(如图所示)或者可以是由于写电流转换的旋转动量导致的(未示出)。
图5示出了包含多铁材料的第三存储器单元500的方面。存储器单元500在底层501被支持。存储器单元500包括写导体502，503。在写时间间隔中，写导体502传送写电流504。在写间隔中写导体503传送写电流505。写电流504生成磁场506。写电流505生成磁场507。磁场506，507通过磁阻传感器508。磁阻传感器508包括多铁层510。绝缘层(没有在图5中示出)将连接层514与写导体503隔绝开。存储器单元500包括连接磁阻传感器508的传感连接层514，516。写操作可以通过有电流生成的磁场(未示出)或者它可以是由于写电流转换的旋转动量导致的(未示出)。在读间隔中，传感电流518流经连接层514，磁阻传感器508和连接层516。在写间隔中，通过连接层514，516，写电压被施加于多铁层510。写电压调制多铁层510的磁属性。连接层514，516，或者作为选择，写导体502和503可以用于施加电压。连接层514和516也能通过旋转动量转换而用于写比特位。如果电流通过存储器设备的自由层，就能够使用旋转动量转换。
图6A，6B，6C示出了存储器单元中的层堆栈的类型实例。在图6A，6B，6C中示出的实例没有限制，并且层的其他层堆栈也能被使用。在每一个图6A，6B，6C中，堆栈中的铁磁层之一包括具有磁性的多铁材料，该磁性通过将电压施加到多铁层而被电调制。在一方面，自由层(一个或多个)包括多铁材料，并且在写间隔中，多铁材料的磁各向异性被调制为减少磁各向异性。固态存储器单元和上面结合图1-6所述的存储器阵列提供能够存储比现有的闪存、MRAM或旋转RAM设备同样多甚至更多的非易失性数据存储器。多铁材料(MF)能被用于具有固态寻址阵列结构的固态存储设备中的存储层(例如，自由层)。
生成具有多铁材料的寻址阵列的步骤是可根据现有步骤修改的，现有步骤被用于生成不利用多铁材料属性的MRAM和旋转RAM设备。MRAM和旋转RAM的优点，比如快速写次数，无限制写周期和低电能，在当前公开的多铁随机存取存储器(MFRAM)设备和阵列中都有所保持。
在现有的MRAM设备中，通过使用交叉导线寻址将磁场施加到磁通道连接(MTJ)的自由层(FL)来写比特位。FL足够自由被施加的磁场旋转，但是也足够稳定以长时间热稳定而被认为非易失性。每个导线的磁场被用于行/列中的所有设备，其导致了该导线下的其他设备的稳定性问题。仅有的被进行写动作的比特位是底部和顶部导线交叉的位置和导线相叠加的磁场。施加电流来生成足够大的磁场来转换FL也消耗了可观的能量。本发明揭示的设备帮助解决这些问题。在当前揭示的设备中(例如，图1-6)，多铁材料具有被施加电压调制的磁各向异性。当在同样的行和列上的其他单元具有更大的磁各向异性时，电压控制磁各向异性从而具有更少的被执行写操作的单元的数量。
在现有的SpinRAM装置原理中，写比特位是通过施加电流到单个装置上完成的。这就具有一次寻址一个设备的优势，但是要么需要一个大的电流密度转换FL，要么FL需要有足够低的磁各向异性以由低电流强度转换。当前所揭示的装置帮助解决了这个问题。在当前所揭示的装置中(例如，图2A，2B，2C，2D)多铁材料有通过施加的电压来调整的磁各向异性。当在同一行和列上的其他的单元有较大的磁各向异性现象时，电压控制磁各向异性从而具有更少的被执行写操作的单元的数量。
多铁材料(MF)是自由层的一部分，所以FL的矫磁性太高以至于被写电流或电流组的磁场转换(或使其不稳定)，除了在电压被施加到MF FL以降低各向异性的一个单元中。电压首先只被施加到两个导线交叉处的一个单元的FL。那儿有一些被施加到非寻址单元的更弱的边缘电场，但是这些区域比被寻址单元的FL的电场更弱。在寻址能力方面，多铁单元保持了MRAM上的SpinRAM的优点。多铁单元具有(图2A，2B，2C，2D)的优点在于由电压而不是电流转换，降低了能量要求。相同的MRAM设备的导线将在他们之间具有DC偏置，并且这个DC偏置(例如，来自图1C中的电压源140或图2C中的电压源240)实质上是施加到MF FL的电压。使用类似于SpinRAM寻址来寻址的MFRAM单元具有工程通道连接(MTJ)栈以至于电压遭遇MF FL从而降低其各向异性。
以上实施例中，为了扩大MTJ的大磁阻，MF FL被电磁耦合到另一个磁材料。MF材料通过结合高电阻系数铁电质和铁素体或者通过用金属化磁质材料多层化高电阻系数铁电质获得非常高的电阻系数，或者MF材料能够通过使用金属MSM建立柱形结构获得低电阻系数。
理想地，MF材料能够通过直接耦合到FL而被放置于和MTJ相连的位置。这需要具有低电阻系数(与MTJ的RA相关)以及大磁电耦合(小电场导致磁各向异性中的大的变化)的MF材料。在需要MF材料不被置于通过MTJ的直接电流路径中的应用中，可以使用如下所述的可选择的结构。
代替与水平垂直的电流(CPP)磁阻传感器，而在平面电流(CIP)磁阻传感器中使用多铁材料。在图5的I_sense行中放置传感器。写电流将不需要通过MF FL。图5中的写入行2是可选特性，因为使用多铁材料只允许利用写入行1写入。MF FL能够在传感设备的顶部，从而磁场能够被施加于I_sense和写入行1之间降低MF FL的各向异性，然后写入行1中的电流能够写数据。CIP传感器更加容易制造，并且已经示出大片电阻，大MR设备可以实现。
可以通过位于传感器两侧的永磁体(PM)实现FL转换，很像今天使用的磁通道连接读传感器。可以使用写入行转换这些PM的磁化。PM包含耦合于软磁体层的MF层。施加的电场降低了MF的各向异性，允许软磁体和MF互相转换。软磁体并不总是需要，但是可能需要他帮助控制磁性并且给FL施加大磁场从而使他稳定。
作为选择，该设备能类似于如上段落所描述那样被构建，但是能被直接耦合在MF和FL之间(不止是磁耦合)。此外，如果需要，这个耦合可以由第二/软磁体作为中介。这将使用一种交换标记或者导线覆盖几何。
MF材料能被放置于I_sense导线的顶部并且I_sense导线可以是软磁体(图4)。这允许电压被施加于写入行1和I_sense之间从而降低MF材料的各向异性并且通过任意组合的行的电流可以写比特位。可选择的，可以使用无磁性的I_sense导线并且MF材料或耦合于另一个磁性材料的MF材料能够经由非直接耦合的I_sense导线被耦合于FL(例如，静磁的，Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida(RKKY)或其他已知的间接耦合)。
使用多铁材料能够增加热/磁稳定性并且降低能量消耗。揭示了多重选择几何学以实现这个原理。多种变化都是可能的，并且完成了一个例子中描述的特点适应用于另一个例子中。使用的最优几何依赖于选择的多铁材料，选择的程序，和期待的设备性能。合成的永磁体连接自由层。合成的永磁体可以包括连接到软磁性层的多铁层。该自由层能包含有磁力的可交换层。多铁层能通过RKKY耦合被耦合到自由层。其他变化也是可能的。
可以理解，尽管通过多个特性并且在前面的描述中阐明了多个本发明的实施例的优点，还有结构细节和本发明各种实施例的功能，该揭示仅仅是说明性的，并且变化可能是细节上的，特别是与结构和本发明的原则中的部分的排列有关，由从属权利要求表述的术语的广泛通用含义阐明的完全范围。例如，当不离开本发明精神和范围内充分维持同样的功能时，特别元素可能改变依赖于存储器系统得特别应用。此外，尽管这里所描述的更好的实施例定向于存储器单元的两维阵列，但本领域技术人员也能不脱离本发明的范围和精神情况下将本发明揭示应用于三维阵列。

Claims (25)

1、一种存储器单元，包括：
由多层构成的磁阻传感器，其中包含自由层，该磁阻传感器在读间隔中传导用于代表存储器单元中所存储的数据的读电流；以及
第一写导体，用于传输在自由层中写数据的写电流；并且至少其中一层包含由多铁材料所构成的多铁层。
2、如权利要求1所述的存储器单元，其中多铁层接收用于调制多铁材料的磁各向异性的调制电位。
3、如权利要求2所述的存储器单元，其中在写间隔中，上述调制过程提供更低的磁各向异性。
4、如权利要求2所述的存储器单元，其中在读间隔中，上述调制过程提供更高的磁各向异性。
5、如权利要求1所述的存储器单元，进步一包括：
第二写导体，用于在写间隔中产生与自由层相交的第二写磁场。
6、如权利要求5所述的存储器单元，其中第一和第二写磁场在隧道结的至少一个区域中矢量地叠加。
7、如权利要求1所述的存储器单元，其中第一写电流流经磁阻传感器。
8、如权利要求1所述的存储器单元，其中自由层包括非易失性存储元件。
9、如权利要求1所述的存储器单元，其中磁阻传感器包括电流-平面内式磁阻传感器。
10、如权利要求1所述的存储器单元，其中磁阻传感器包括电流-垂直于平面式磁阻传感器。
11、如权利要求1所述的存储器单元，其中自由层包括多铁磁阻材料。
12、如权利要求1所述的存储器单元，其中多铁材料磁耦合到软磁材料以增大磁阻。
13、如权利要求1所述的存储器单元，进一步包含邻接着自由层的合成永磁体。
14、如权利要求13所述的存储器单元，其中合成永磁体包含耦合到软磁层的多铁层。
15、如权利要求1所述的存储器单元，其中自由层包括磁转换层。
16、如权利要求1所述的存储器单元，其中多铁层通过RKKY耦合而耦合到自由层。
17、一种存储器单元阵列，包括：
在交叉点交叉的行写导体和列写导体；
在交叉点定位并寻址的存储器单元；以及
每个存储器单元包括含多铁材料层的磁阻传感器。
18、如权利要求13所述的阵列，其中被寻址的存储器单元的多铁材料接收用于调制多铁材料的磁属性的调制电位。
19、如权利要求17所述的阵列，其中被调制的磁属性包含磁各向异性。
20、如权利要求18所述的阵列，其中调制电位调制多铁材料的磁各向异性。
21、如权利要求18所述的阵列，其中写电流流经被寻址的存储器单元的磁阻传感器。
22、如权利要求18所述的阵列，其中写电流没有流经被寻址的存储器单元的磁阻传感器。
23、一种方法，包括：
提供磁阻传感器，该磁阻传感器在读间隔中传导用于代表存储器单元中所存储的数据的读电流；
提供第一写导体，该第一写导体在写间隔中产生与磁阻传感器相交的第一写磁场；以及
用多铁材料来构成至少一个磁阻传感器层。
24、如权利要求23所述的方法，其中使用薄膜沉积来构成多铁材料。
25、如权利要求23所述的方法，其中使用微结构或纳米结构制造过程来构成多铁材料。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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