CN1192394C - 多位磁存储单元 - Google Patents

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Abstract

多位磁存储单元包括具有一形状的数据存储层，预先选定该形状以提供至少三个畴状态，其中每个畴状态对应着特定的逻辑状态及数据存储层中磁化强度的特定取向。该多位磁存储单元包括具有磁化强度之固定取向的基准层，其是由取向角度定义的，其中预先选定取向角度来区分数据存储层的畴状态。

Description

多位磁存储单元
技术领域
本发明涉及磁存储领域，尤其涉及多位磁存储单元。
背景技术
磁存储器通常包括磁存储单元阵列。一般讲，每个磁存储单元使用磁场来存储信息的对应位。磁存储器通常还包括导电体阵列，用来读和写存取磁存储单元。磁存储器的这种配置可称为磁随机存取存储器(MRAM)。
现有技术磁存储单元一般包括数据存储层和基准层。该基准层通常是一层磁材料，其中其磁化取向固定或者“钉”在特定方向。该数据存储层一般是一层磁材料，其中其磁化的取向通过施加外磁场可以改变。这通常在写操作期间发生，写操作是将电流施加到磁存储器的导电体上来改变数据存储层中磁化的取向。
一般地讲，现有技术磁存储单元的逻辑状态依赖于在其数据存储层中的磁化强度的取向是平行于其基准层中的磁化强度的取向还是反平行于其取向。平行取向通常使磁存储单元处于低阻状态，而反平行取向通常使磁存储单元处于高阻状态。磁存储单元的逻辑状态一般是用测量其阻抗读出的。
发明内容
本发明的目的是提供具有每个单元可存储多于一比特之能力的磁存储单元。这种磁存储单元将增加MRAM的存储密度，并有可能减小采用磁存储器之系统和磁存储器的总的每比特的成本。
根据本发明，提供了一种多位磁存储单元，包括：数据存储层，其具有预先选定的形状以提供至少三种畴状态，其中每个畴状态对应着数据存储层中磁化强度的特定取向；基准层，其具有由一取向角度定义的磁化强度的固定取向，其中预先选定取向角度以区分数据存储层的畴状态。
本发明还提供了一种磁存储器，包括：磁存储单元的阵列，每个磁存储单元包括具有一个形状的数据存储层，预先选定该形状以提供至少三个畴状态，其中每个畴状态对应着数据存储层中磁化强度的特定取向，每个磁存储单元还包括具有一个固定的磁化强度取向的基准层，该磁化强度取向是由取向角度定义的，其中预先选定所述取向角度以区分数据存储层的畴状态；一组能存取磁存储单元的导电体。
在所述多位磁存储单元和所述磁存储器中，所述形状是正方形，具有四个端区和一个内部区。其中，每个畴状态是由一组代表每个端区中的磁化强度取向和内部区中的磁化强度取向的矢量构成的合成矢量定义的。
在所述多位磁存储单元和所述磁存储器中，所述数据存储层中通过选择取向角度来区分为三个畴状态。
所述数据存储层中也可以通过选择取向角度来区分为四个畴状态。
在所述多位磁存储单元和所述磁存储器中，选择取向角度来产生畴状态之间每个磁存储单元阻抗的相等的变化。
在所述多位磁存储单元和所述磁存储器中，每个磁存储单元的每组逻辑状态分别对应着数据存储层的一个特定的畴状态。其中，磁存储单元的特定逻辑状态是通过以下方式写入的：施加一系列外部磁场以引起数据存储层在所述畴状态之间切换。
所述一系列外部磁场是通过将电流加到所述导电体上来施加的。所述一组导电体中的每个导电体由一个顶部导电体和一个底部导电体构成。其中一系列外部磁场是通过将电流加到一个顶部导电体且然后将电流加到一个底部导电体上来施加的。或者，其中一系列外部磁场是通过将电流加到一个底部导电体且然后将电流加到一个顶部导电体上来施加的。
从下面的详细说明中将清楚本发明的其它特征和优点。
项目将参考特定的实施例并参照附图来说明本发明。
附图说明
图1表示提供了多位存储的磁存储单元的基本结构；
图2表示多位磁存储单元基准层的顶视图；
图3a-3d表示在多位磁存储单元的一个实施例中数据存储层的四个畴状态；
图4表示对于数据存储层的每个畴状态，多位磁存储单元的测量阻抗与基准层角度θ之间的关系；
图5是包含多位磁存储单元阵列的磁存储器的顶视图。
具体实施方式
图1表示提供有多位存储的磁存储单元40的基本结构。磁存储单元40包括数据存储层50和基准层54。
磁存储单元40提供了一组至少三个的逻辑状态，其产生多位的信息存储。磁存储单元40的逻辑状态对应于数据存储层50和基准层54中磁化强度的相对取向。数据存储层50中磁化强度的取向可用矢量M1表示。基准层54中磁化强度的取向可用矢量M2表示。
磁化强度M2的取向被固定在特定的方向。另一方面，磁化强度M1的取向则依磁存储单元40的逻辑状态改变。磁存储单元40的每个逻辑状态对应着M1的特定取向。M1的可能取向称作数据存储层50的畴状态。因此，磁存储单元40的逻辑状态依赖于数据存储层50的畴状态。另外，数据存储层50的畴状态是通过使用与磁存储单元40相连的导电体施加外磁场控制的。
在一个实施例中，数据存储层50拥有四个畴状态，状态1至状态4，其对应着磁存储单元40的逻辑状态0至3。这在一个磁存储单元中产生2位的信息存储。
通过测量其阻抗来确定磁存储单元40的逻辑状态。磁存储单元40的阻抗根据M1和M2的相关取向即数据存储层50的畴状态而不同。通过施加读电压并测量所产生的感应电流可以测定磁存储单元40的阻抗。
在一个实施例中，磁存储单元40包括在数据存储层50和基准层54之间的隧道阻挡层52。这种结构可称作自旋隧道器件，因为在读操作期间电荷迁移过隧道阻挡层52。电荷迁移过隧道阻挡层52是因为公知的自旋隧道效应现象并且是在读电压施加到磁存储单元40时发生。在选择的实施例中，大的磁致电阻结构可以用在磁存储器件40之中。
图2表示磁存储单元40的基准层54的顶视图。同样M2矢量代表基准层54磁化强度的固定取向。M2矢量相对X轴形成θ角。
使用各种公知的技术可以实现磁化强度M2具有θ角的取向。例如，基准层54可以是诸如镍铁(NiFe)的坡莫合金层，其与反铁磁性层耦合，该反铁磁性层固定坡莫合金层中磁化强度的取向。反铁磁性材料可以是铁锰合金(FeMn)或镍锰合金(NiMn)。反铁磁性材料的优选材料包括NiO，TbCo，PtMn和IrMn。
通过在平行于所期望的M2矢量的方向施加诸如1000奥斯特的强磁场并且在诸如300℃的高温下加热磁存储单元40可以达到M2的θ角。然后在存在该磁场的情况下冷却磁存储单元40，用来以平行于希望的θ角的方向固定反铁磁性材料中磁化强度的取向。在退火的反铁磁性材料和基准层54坡莫合金材料之间的磁交换耦合使M2固定到期望的角度θ。
另外，基准层54可以是诸如钴铂合金的具有高矫顽磁力的材料。可以用足够强度的磁场施加到基准层54以将磁化强度M2的取向固定到期望的角度θ。基准层54的相对高的矫顽磁力可以在写操作期间存在施加到磁存储单元40的外部磁场的情况下防止M2的换向。
图3a-3d表示在磁存储单元40的一个实施例中数据存储层50的四个畴状态。与X方向平行的矢量60代表在数据存储层50内部磁化强度的取向。矢量60平行于可称作数据存储层50的易磁化轴。
一组矢量61-64代表与磁性材料的端区相联系的磁化强度的取向。由矢量61-64表示的磁化强度指向基本上平行于数据存储层50边缘的方向。在现有技术的磁存储单元中，为了使端区中的场最小化和使沿易磁化轴的磁化强度最大化，一般要选择数据存储层的尺寸dx和dy。在这种现有技术的磁存储单元中，dx通常要大于dy，产生沿易磁化轴具有长尺寸的矩形形状。
并不企图使端区中的磁化强度最小化，本发明的技术是利用端区中的这些磁化强度，目的是获得数据存储层50中的附加畴状态。因此，选择dx和dy尺寸相等，并在数据存储层50形成正方形形状。通过不仅控制沿易磁化轴的矢量60方向而且控制所示的数据存储层50端区中矢量61-64的方向来实现数据存储层50的四个畴状态。
数据存储层50的正方形形状不仅产生附加的畴状态，而且与使用矩形存储单元相比还可增加MRAM中所获得的存储密度。这是因为对于给定的最小特征尺寸，在给定的基片面积上可以形成比矩形磁存储单元更多的正方形磁存储单元。
图3a表示数据存储层50的畴状态1并示出矢量60-64的方向。正如所示，磁化强度M1的取向是矢量60-64的合成矢量并指向+x，-y方向。
图3b表示数据存储层50的畴状态2。磁化强度M1的取向是矢量60-64的合成矢量并指向+x，+y方向。
图3c表示数据存储层50的畴状态3。磁化强度M1的取向指向-x，-y方向。
图3d表示数据存储层50的畴状态4。磁化强度M1的取向指向-x，+y方向。
在一个实施例中，优化数据存储层50的材料参数和几何形状，使得M1的X和Y分量在每个畴状态1-4中是相等的。这种优化依赖于数据存储层50中磁化强度的分布、数据存储层50的膜厚，dx和dy尺寸，以及数据存储层50所选用的材料类型。在一个实施例中，可以采用诸如镍铁合金的坡莫合金作为数据存储层50的主体，其在与隧道阻挡层的界面处带有薄的极化增强膜。
磁存储单元40的阻抗依赖于M1和M2的相关取向。M1的取向依赖于数据存储层50的畴状态。M2的取向是固定的并定义为θ角。希望选定θ角，使得在畴状态1-4的变化之间检测到磁存储单元40的阻抗中相对相等的变化。
图4表示磁存储单元40的测量阻抗和对于每个畴状态1-4之θ角之间的关系。一组曲线81-84分别表示与畴状态1-4相联系的计算。可使用曲线81-84来选择θ角，在此存在当从一个畴状态到另一个畴状态变化时信号有相等的改变。
在其中的M1之x和y分量相等的实施例中，所选θ角为26.6度。其它的角度也是适合的。例如相对于26.6度成90度的角度。另外，可选择较少的优化角度使得不会产生在畴状态1-4之间所测量阻抗的相等变化。
对于θ选择45度可导致三种状态器件。这将产生较少的状态但在状态之间会产生较高的阻抗变化，这在某些应用中是希望的。
图5是磁存储器10的顶视图，其包括磁存储单元阵列，其由磁存储单元40构成，并具有附加的磁存储单元41-43。磁存储器10还包括导电体20-21和30-31阵列，其使得可读写存储磁存储单元40-43。导电体30-31是顶部导电体，而导电体20-21是正交的底部导电体。每个磁存储单元40-43都具有dx和dy尺寸。
磁存储单元40-43的逻辑状态是由操作它们各自的数据存储层的畴状态来控制的。这些畴状态是由将电流施加到20-21和30-32导电体上来操作控制的。
例如，以+x方向加到导电体30上的电流在数据存储层50中按右手规则将产生+y方向的磁场(Hy+)。以-x方向加到导电体30上的电流在数据存储层50中将产生-y方向的磁场(Hy-)。类似地，以+y方向加到导电体20上的电流在数据存储层50中将产生+x方向的磁场(Hx+)，而以-y方向加到导电体20上的电流在数据存储层50中将产生-x方向的磁场(Hx-)。这些感应的磁场Hx+，Hx-，Hy+和Hy-可用来改变矢量60-64的方向，由此来改变数据存储层50的畴状态和磁存储单元40的逻辑状态。
用下述过程可以完成从畴状态1至畴状态2的过渡。首先，施加Hx+磁场使磁存储单元40使能启动。接着施加Hy+磁场，使矢量62和64从-y到+y方向换向。然后去掉Hy+磁场。最后去掉Hx+磁场。可以使用磁场Hx+，Hx-，Hy+和Hy-的许多其它顺序来转换磁存储单元40。
本发明前面的详细说明是用于示例性说明的目的，而并不是将发明限于所公开的特殊实施例。因此，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种多位磁存储单元，包括：
数据存储层，具有预先选定的形状以提供至少三种畴状态，其中每个畴状态对应着数据存储层中磁化强度的特定取向；
基准层，其具有由一取向角度定义的磁化强度的固定取向，其中预先选定取向角度以区分数据存储层的畴状态。
2.权利要求1的多位磁存储单元，其中所述形状是正方形，具有四个端区和一个内部区。
3.权利要求2的多位磁存储单元，其中每个畴状态由一组矢量所构成的合成矢量定义，所述一组矢量中的每个矢量分别代表每个端区中磁化强度的取向和内部区中磁化强度的取向。
4.权利要求1的多位磁存储单元，其中所述数据存储层中通过选择取向角度来区分为三个畴状态。
5.权利要求1的多位磁存储单元，其中所述数据存储层中通过选择取向角度来区分为四个畴状态。
6.权利要求1的多位磁存储单元，其中选择取向角度来产生畴状态之间磁存储单元阻抗的相等的变化。
7.权利要求1的多位磁存储单元，其中每组磁存储单元的逻辑状态分别对应着数据存储层的一个特定的畴状态。
8.权利要求7的多位磁存储单元，其中磁存储单元的特定逻辑状态是通过以下方式写入的：施加一系列外部磁场以引起数据存储层在所述畴状态之间切换。
9.一种磁存储器，包括：
磁存储单元的阵列，每个磁存储单元包括具有一个形状的数据存储层，预先选定该形状以提供至少三个畴状态，其中每个畴状态对应着数据存储层中磁化强度的特定取向，每个磁存储单元还包括具有一个固定的磁化强度取向的基准层，该磁化强度取向是由取向角度定义的，其中预先选定所述取向角度以区分数据存储层的畴状态；
一组能存取磁存储单元的导电体。
10.权利要求9的磁存储器，其中所述形状是正方形，具有四个端区和一个内部区。
11.权利要求10的磁存储器，其中每个畴状态是由一组代表每个端区中的磁化强度取向和内部区中的磁化强度取向的矢量构成的合成矢量定义的。
12.权利要求9的磁存储器，其中所述数据存储层中通过选择取向角度来区分为三个畴状态。
13.权利要求9的磁存储器，其中所述数据存储层中通过选择取向角度来区分为四个畴状态。
14.权利要求9的磁存储器，其中选择取向角度来产生畴状态之间每个磁存储单元阻抗的相等的变化。
15.权利要求9的磁存储器，其中每个磁存储单元的每组逻辑状态分别对应着数据存储层的一个特定的畴状态。
16.权利要求15的磁存储器，其中磁存储单元的特定逻辑状态是通过以下方式写入的：施加一系列外部磁场以引起数据存储层在所述畴状态之间切换。
17.权利要求16的磁存储器，其中所述一系列外部磁场是通过将电流加到所述导电体上来施加的。
18.权利要求16的磁存储器，其中所述一组导电体中的每个导电体由一个顶部导电体和一个底部导电体构成。
19.权利要求18的磁存储器，其中一系列外部磁场是通过将电流加到一个顶部导电体且然后将电流加到一个底部导电体上来施加的。
20.权利要求18的磁存储器，其中一系列外部磁场是通过将电流加到一个底部导电体且然后将电流加到一个顶部导电体上来施加的。
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