CN102456407A - 具有多畴存储层的磁存储元件 - Google Patents

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Abstract

一种用于增强关于诸如非易失性数据存储阵列中的磁存储元件的数据写入和保持的装置和方法。根据各种实施例，可编程存储元件具有参考层和存储层。该参考层设有固定的磁定向。该存储层被编程为具有带有与所述固定的磁定向反平行的磁定向的第一区域、和带有与所述固定的磁定向平行的磁定向的第二区域。可在存储元件中纳入热辅助层以在写入操作期间增强存储层的局部加热从而帮助第一区域从平行磁定向到反平行磁定向的转变。

Description

具有多畴存储层的磁存储元件
技术领域
本公开一般涉及在将数据写入到磁存储单元并由磁存储单元保持数据的方式上的改进。
背景技术
有些类型的存储设备利用存储单元的固态数据存储阵列，其中每个单元被个体地编程为所选的已编程状态。这些单元可以是易失性或非易失性的，并且可以采用一次写入或多次写入配置。
特别感兴趣的是利用磁隧道效应来建立所选已编程状态的磁存储器数据存储单元，诸如旋转扭矩转移随机存取存储器(STRAM)单元的情形。磁存储单元可包括具有所选磁定向的反铁磁参考层、和具有选择性可编程磁定向的自由层。自由层相对于参考层的相对定向决定了单元的整体电阻。
一般而言，平行定向将提供贯穿单元的第一电阻，而反平行定向将提供贯穿单元的第二电阻。给定单元的已编程状态可以通过响应于施加低幅度的读取电流以读出跨该单元的电压降来确定。
尽管是可行的，但是与许多类型的磁存储元件相关联的局限涉及建立不同的已编程状态所需的写入工作。可能需要相当量的写入电流和/或写入电流脉冲历时来将单元转变为已选状态，特别是在该单元被切换到反平行定向时。
概述
本发明的各种实施例一般涉及用于增强关于诸如非易失性数据存储阵列中的磁存储元件的数据写入和保持的装置和方法。
根据各种实施例，可编程存储元件具有参考层和存储层。该参考层设有固定的磁定向。该存储层被编程为具有带有与所述固定的磁定向反平行的磁定向的第一区域、和带有与所述固定的磁定向平行的磁定向的第二区域。在一些实施例中，可在存储元件中纳入热辅助层以在写入操作期间增强存储层的局部加热从而帮助第一区域从平行磁定向到反平行磁定向的转变。
以本发明各种实施例为表征的这些以及各种其它特征与优点可考虑以下具体讨论与所附附图来理解。
附图说明
图1提供了数据存储设备的功能框表示。
图2描绘了图1的存储器模块的一部分。
图3示出了图2的磁存储元件的示例性构造。
图4解说用于将图3的存储元件从第一阻性状态转变为第二阻性状态的写序列。
图5示出了图4的存储层处在第二阻性状态下的俯视图表示。
图6描绘了共享连续存储层的多个相邻存储元件。
图7表示图6的连续存储层的不同区域，其具有根据图4-5的经转变的磁畴。
图8示出了根据各种实施例用于存储元件的替换配置。
图9是图8的存储层和参考层的俯视图。
图10解说用于将图8的存储元件从第一阻性状态转变为第二阻性状态的写序列。
图11A-11D示出了根据各种实施例用于存储元件的其他替换配置。
具体实施方式
相应地，本发明的各种实施例一般涉及用于增强将数据写入到磁存储器数据存储单元并将写入的数据保持在磁存储器数据存储单元中的能力的装置和方法。如下所解释的，自由层是相对于磁存储元件内的参考层来设计大小的，以使得自由层在至少一个已编程状态下具有多个磁畴。在一些实施例中，将热辅助层纳入到单元结构中以辅助写入过程。该单元结构尤其适合用作一次性写入存储器以作为基于熔线的随机存取存储器(ROM)的替换方案。还可将该单元结构配置成多次写入存储器以作为闪存和电可擦可编程只读存储器(EEPROM)的替换方案。
图1提供数据存储设备100的简化框图表示以解说可在其中有利地实践本发明的各种实施例的示例性环境。设备100包括顶层控制器102和存储器模块104。控制器102可以是可编程的或基于硬件的，并提供对与主机设备(未示出)的I/O操作的顶层控制。控制器102可以是单独的组件或者可以被直接纳入到存储器模块104中。
存储器模块104包括如图2中阐述的非易失性存储单元106的阵列。每个存储单元106包括磁存储器数据存储元件108和开关器件110。尽管不是限制性的，但是可以预想到存储单元106是旋转扭矩转移随机存取存储器(STRAM)单元。存储元件108包括有磁隧道效应结(MTJ)，并且开关器件110是n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOSFET)。可以使用其他配置。
存储元件108被描绘为可选择地编程为不同阻性状态的可变电阻器。在一些实施例中，使用单级单元(SLC)，其中低电阻RL对应于逻辑0的第一存储数据状态而高电阻RH对应于逻辑1的第二存储数据状态。也可替换地将单元配置成多级单元(MLC)从而每单元存储多个比特，诸如使用四种不同的已编程电阻来每单元存储两个比特。
数据存取操作是经由位线(BL)112、源线(SL)114和字线(WL)116来实施的。源线114可以连接到公共源平面。存储器模块104可被安排成具有固定大小存储的可寻址块，其中每个块根据需要单独进行分配。这些块可进一步被安排为在数据存取操作期间并发地写入或读取的多个页，其中每个页构成耦合至公共字线116的所有单元106。这样，模块104可以按与闪存阵列相似的方式进行配置和操作。将领会，也可使用其他配置，诸如具有二极管的交叉点阵列或者其他引导存取电流通过单元的合适机制。
图3提供用于图2的存储元件108的示例性配置的示意性表示。每个存储元件108包括顶部电极和底部电极118、120(分别为TE和BE)。设置了具有在所选方向上的固定磁定向的参考层(RL)122。参考层122可采取数种形式，诸如具有由毗邻的钉扎层126建立的固定磁定向的反铁磁受钉扎层124。阻挡层128将参考层122与在本文亦被称为存储层的软铁磁自由层130分离开。
存储层130具有可选择编程的、响应于对元件108施加写入电流而建立的磁定向。存储层130的磁定向可以在与参考层122的定向相同的方向上(平行)，或者可在与参考层122的定向相反的方向上(反平行)。平行定向提供通过存储单元的较低电阻RL，而反平行定向提供通过该单元的较高电阻RH。可以构想，磁化方向将是垂直的(即，在关于附图的垂直方向上)，但这不是必然要求的。
存储层130示出具有比参考层122的面积延伸更大的面积延伸。这允许存储层在编程期间建立并保持多个相反的磁畴。相应的参考层和存储层122、130可以是圆形的(盘状)，其中存储层具有比参考层更大的直径。然而，也可对参考层和/或存储层使用其他形状，诸如直线形。存储层可以是每个存储单元内的离散的层，或者可以由跨阵列连续延伸的单个层形成。
图4示出了用于图3的存储层130的示例性写入序列。四个连续步骤被标识为(A)到(D)。在步骤(A)，存储层130被示为具有初始磁定向，如向上延伸的箭头132所表示的。此初始磁定向与参考层122的磁定向平行，并将元件108置于低电阻状态RL(例如，逻辑0)。
将注意到，步骤(A)中存储层130的磁定向被安排成单个磁畴，即整个存储层130被统一磁化为与参考层的磁化相平行。为了建立步骤(A)的初始状态，可将磁层叠浸透在强磁性垂直场中以使得受钉扎层和数据存储层的磁化指向相同的方向。
为了将元件108写成高电阻状态RH(例如，逻辑1)，通过该元件施加适当的写入电流，如在步骤(B)开始所示。此写入电流并不穿过所有的存储层130，而是主要穿过存储层130的与参考层122对准的那部分。存储层的此中间区域被记为134，并且响应于该电流以及由I2R热耗散所提供的通过该存储层的相关联加热而经历磁化上的局部变化。当写入电流穿过存储层130的中部时，存储层136的外部环形区域136保持其初始磁化定向132。
在一开始施加写入电流期间，区域134的磁化保持与参考层122(图3)的磁化相平行，但是在幅度上减小，如在步骤(B)所示。由于中部区域134的不均匀磁化，将生成去磁场138。随着继续施加写入电流，该去磁场作用于使中部区域的磁化倒转，如在步骤(C)所指示的。
一旦写入电流已被移除并且数据存储层130返回到环境温度，中部区域134的磁化将已经倒转，如在步骤(D)所示的。在反平行中部区域134和周围的平行外部区域136之间将建立圆周延伸的畴壁140。跨该畴壁140的磁耦合由虚箭头142表示，并且此磁耦合帮助保持中部区域134的反平行磁化。
区域134、136的相应磁畴之间的磁性偶极耦合将与畴壁140竞争一较短时间，直至达到稳态条件。一旦该单元稳定，中心畴大小(畴壁140的直径)将由与数据存储层相关联的多个属性来决定。这些属性可包括诸如饱和磁化、交换耦合、和磁各向异性之类的内部特性，以及诸如数据存储层的厚度和表面粗糙程度之类的外部特性。
中心畴的大小还可与存储层所经历的加热量、以及诸如幅度、方向、历时及电流脉冲形状之类的其他电流感生效应有关地来建立。任何数目的合适的铁磁膜可被用于存储层130，诸如基于钴-镍(CoNi)和铂(Pt)的膜。不同的膜响应于给定的写入电流可以提供不同的畴大小。图5示出了在图4的写入序列结束之后相应区域134、136的示例性大小。
图6是共享连续数据存储层150的数个存储元件108(标记为ME1-ME4)的正视表示。经验分析已经指出如图6所阐述的一些类型的磁性膜的局部磁化倒转可以通过施加在幅值上量级约为+5v且在历时上约为500ns的写入电流脉冲来实施。写入电流的幅度可以在约100μA的量级上。可以使用其他合适的值。
图7是已向其施加了写入脉冲以提供具有反平行磁化的局部圆形区域152的图6中的连续存储层150的俯视表示。作为参考，区域154表示存储单元的保持初始平行磁化的中间部分。已编程区域的平均大小可以在约100nm的量级上，尽管也观测到了小到约70nm的已编程区域。这些磁性膜的矫顽性可以高达5,000Oe。磁化倒转在较低矫顽性的膜中可能更容易实现，并且畴在具有较低矫顽性的磁性膜上可能更大。另外，畴的直径可能依赖于脉冲幅值和历时。
该存储器阵列可被用作一次写入多次读取磁存储器阵列，所有单元108初始被编程为低电阻(逻辑0)状态。为了写入数据，可如图4所阐述地在恰当的位置写入逻辑1。
为了之后读回所存储的数据，可以激活字线116从而将每个所选单元的开关器件110依次置于源-漏导通状态，低幅度的读取电流可从相关联的位线112传到相关联的源线114，并且可以使用读出放大器或其他适当的检测机构读出跨该单元的电压降的幅度。由于读取电流将趋向于选择通过单元的最短路径，可以预想大部分读取电流将穿过数据存储层的中间区域134(图4)。该磁层叠的电阻由此将关联于中部区域的磁化定向相对于受钉扎层的磁化而变化。
在图8中的160处示出了根据各种实施例用于存储元件的替换性构造。该存储元件160包括顶部电极和底部电极162、164、具有受钉扎层和钉扎层168、170的参考层(RL)166、阻挡层172、和自由层(FL)174。自由层(存储层)174相对于参考层166偏移，诸如图9所示的，图9提供了这些层的示例性线性面积形状。其他配置是可以预想的，诸如偏移成沿阵列中的所选行或列横跨多个相邻的单元的存储层材料带。
图10描绘了对存储层174的写入序列。该写入序列与先前在图4中讨论的大体类似，区别在于畴壁140跨存储层174延伸以使得平行区域136毗邻反平行区域134延伸但不完全包围反平行区域134。
图11A-11D示出了其他替换性存储元件配置。图11A解说具有顶部电极和底部电极182、184、受钉扎层186、钉扎层188、阻挡层190和存储层192的存储元件180。这些层与图3中阐述的那些层大体类似。另外在元件180中纳入了热辅助层194。该热辅助层194面对隧道阻挡190与存储层192接触式接合。
该热辅助层194由用于在写入期间增强加热效应的热阻材料构成。这一般允许以较低的电流脉冲和/或历时在中间区域134中建立较高的局部温度。热辅助层194可以采取各种形式，诸如相对较薄的电介质层(例如，MgO)或者导电材料，诸如钽(Ta)、铋-碲(BiTe)或铬-铂-锰-硼(CrPtMnB)合金。如前所述，存储层192可以是连续层或者是每个存储元件内的离散区域。
图11B示出了具有可提供某些制造效率的倒转式层叠定向的存储元件200。在202、204处示出顶部电极和底部电极。存储层206形成在底部电极204上，继之以隧道阻挡208和受钉扎层/钉扎层210、212。可以如在图11C中所描绘地那样在存储元件200中纳入热辅助材料层214。
图11D示出具有顶部电极和底部电极222、224、受钉扎层/钉扎层226、228、隧道阻挡230和分段式存储层232的另一存储元件220。在制造期间，存储层232可被蚀刻以提供完全或部分延伸通过存储层232的厚度的环形凹槽234，由此将中间反平行区域236与周围的平行区域238物理地分离开。凹槽234可用适当的氧化物或其他材料填充以增强畴壁位置和稳定性。如前所述的，可以在层叠中纳入热辅助材料以增强写入效率。
鉴于本公开，其他配置对于本领域技术人员将是显而易见的，诸如具有包括多个横跨阵列中的存储单元的连续存储层的多个自由层的单元层叠结构、或者具有横跨阵列中的存储单元的一个连续存储层以及每个单元中的至少一个附加的局部自由层的结构。也可在每个单元中提供多个参考层，包括横跨阵列中的多个存储单元的参考层。
将领会，本文所公开的各种实施例可提供数个益处。在连续延伸的存储层内建立多个磁畴可增强在存储单元内写入和保持数据的能力。存储层的非转变部分可在写入操作期间辅助该层的转变部分的磁切换，并且非转变部分还可在已经完成写入操作之后帮助将转变部分维持在所需的定向上。热辅助材料的使用可增强转变畴的局部写入，从而允许使用降低的电流幅度和/或历时。
本文中所公开的各种实施例适于在一次写入存储器中使用。参考层和自由(存储)层的初始定向可以在制造期间从外部磁源感生，并且随后可以根据需要生成存储层内具有倒转磁化的局部区域以将数据写入到存储器。然而，可以预想可通过施加恰当的写入电流和历时以反转该过程并为存储层提供单个畴而容易地将本文所公开的各种存储元件重写至初始状态。
要理解，即使已在前面的描述中阐述了本发明各实施例的许多特征和优势以及本发明各种实施例的结构和功能的细节，然而该详细描述仅为解说性的，并可在细节上作出改变，尤其可在术语的宽泛意思所指示的全面范围对落入本发明原理内的部分的结构与安排作出改变，其中以术语来表达所附权利要求。

Claims (20)

1.一种包括可编程存储元件的装置，所述可编程存储元件具有参考层和存储层，所述参考层具有固定的磁定向，所述存储层具有与所述固定的磁定向反平行的磁定向的第一区域和与所述固定的磁定向平行的磁定向的第二区域。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述存储层的所述第一区域与所述参考层轴向对准，并且所述第二区域围绕所述第一区域。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，隧道效应阻挡被接触式地设置在所述参考层与所述存储层的所述第一区域之间以形成适于对所述第一区域的磁定向进行编程的磁隧道效应结。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述存储层还包括延伸穿过所述存储层的厚度以将所述第一区域与所述第二区域分离开的至少一个磁畴壁，所述至少一个磁畴壁完全围绕所述第一区域。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述存储层还包括延伸穿过所述存储层的厚度以将所述第一区域与所述第二区域分离开的至少一个磁畴壁，所述至少一个磁畴壁仅部分地围绕所述第一区域。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述存储元件适于接收沿所选轴向流经所述单元的写入电流以选择性地编程所述存储层，所述参考层具有沿垂直于所述轴向的平面的第一面积延伸，以及所述存储层具有沿垂直于所述轴向的平面的更大的、第二面积延伸。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括串联至所述磁存储元件以形成非易失性存储单元的开关器件。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述存储元件是形成数据存储阵列的标称相同存储元件的阵列中的所选存储元件，并且所述所选存储元件的所述存储层形成延伸通过所述阵列中的所述标称相同存储元件中的每一个的连续层的一部分。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述存储元件还包括面对所述参考层的、与所述存储层的所述第一区域接触式接合的热辅助层以响应于施加通过所述存储元件的写入电流促进所述存储层的局部加热从而将所述第一区域的磁定向从所述平行定向转变为所述反平行定向，所述写入电流不改变所述第二区域的平行定向。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述存储元件通过以下步骤编程：
在所述存储层的所述第一和第二区域中为所述存储层提供共同的平行磁定向；以及
使写入电流穿过所述存储层和所述参考层从而在保持所述第二区域在所述平行定向上的磁定向的同时将所述第一区域的磁定向转变为所述反平行定向。
11.一种包括具有非易失性存储单元阵列的数据存储存储器的装置，每个存储单元包括耦合至开关器件的存储元件，每个存储元件包括参考层和存储层，所述参考层具有固定的磁定向，所述存储层具有与所述固定的磁定向反平行的磁定向的第一区域和与所述固定的磁定向平行的磁定向的第二区域，所述第二区域与所述第一区域被至少部分地围绕所述第一区域的圆周延伸的磁畴壁分离开。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，每个存储单元还包括接触式地设置在所述参考层与所述存储层的所述第一区域之间以形成磁隧道效应结的隧道效应阻挡，和面对所述隧道效应阻挡的、与所述存储层接触式地接合的热辅助层。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述存储元件适于接收沿所选轴向流经所述单元的写入电流以选择性地编程所述存储层，所述参考层具有沿垂直于所述轴向的平面的第一面积延伸，以及所述存储层具有沿垂直于所述轴向的平面的更大的、第二面积延伸。
14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，每一个所述存储元件适于通过以下步骤编程，这些步骤包括：
在相关联的存储层的所述第一和第二区域中为所述相关联的存储层提供共同的平行磁定向；以及
使写入电流穿过相关联的存储层和相关联的参考层从而在保持所述第二区域在所述平行定向上的磁定向的同时将所述第一区域的磁定向转变为所述反平行定向。
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述非易失性存储单元阵列被表征为旋转扭矩转移随机存取存储器(STRAM)单元阵列。
16.一种方法，包括：
提供具有参考层和存储层的可编程存储元件，所述参考层具有固定的磁定向并且所述存储层具有与所述固定的磁定向平行的共同磁定向；以及
通过所述存储层和所述参考层施加写入电流以将所述存储层的第一区域转变为与所述固定的磁定向反平行的磁定向，其中在所述施加写入电流结束时所述存储层的围绕所述第一区域的第二区域保持所述平行定向。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述提供步骤还包括提供具有隧道效应阻挡和热辅助层的所述存储元件，所述隧道效应阻挡接触式地设置在所述参考层与所述存储层的所述第一区域之间以形成磁隧道效应结，以及热辅助层面对所述隧道效应阻挡与所述存储层接触式地接合从而在所述施加步骤期间对所述第一区域从平行到反平行的转变进行热辅助。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述施加步骤包括沿所选轴向施加通过所述存储元件的所述写入电流，并且所述提供步骤包括提供具有沿垂直于所述轴向的平面的第一面积延伸的所述参考层、和具有沿垂直于所述轴向的平面的大于所述第一面积延伸的第二面积延伸的所述存储层。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述施加步骤在所述存储层中形成介于所述第一区域与完全围绕所述第一区域的第二区域之间的磁畴壁。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述提供步骤包括提供所述存储元件作为形成数据存储阵列的标称相同存储元件的阵列中的所选存储元件，并且所述所选存储元件的所述存储层形成延伸通过所述阵列中的所述标称相同存储元件中的每一个的连续层的一部分。
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