CN1376299A - 多值的磁阻写/读存储器以及该存储器的读写方法 - Google Patents

Abstract

讲述一种多值的磁阻写/读存储器(10)。该存储器(10)具有一个或多个存储单元(11),其中每个存储单元(11)都具有两根交叉的电线(12,13)和一个位于所述电线(12,13)的交叉点处的、由磁层构成的层系统。为了获得一种具有相应存储容量和最佳读写性能的多值存储器(10),本发明规定,所述的层系统被构造为具有两个或多个磁层(31,32)及位于其间的隧道电介质层(35)的多层系统(30),至少两个、但最多是所有的磁层(31,32)具有可以相互独立调整的磁化方向(33,34),而且所述各个层(31,32)中的磁化方向(33,34)根据流过所述电线(12,13)的电流进行变化,或可以这样变化。另外还讲述了用于读和写该存储器(10)的方法。

Description

多值的磁阻写/读存储器以及该存储器的读写方法

本发明首先涉及一种如权利要求1的前序部分所述的磁阻写/读存储器。本发明另外还涉及一种如权利要求7的前序部分所述的用于写该存储器的方法以及一种如权利要求11的前序部分所述的用于读该存储器的方法。

被称作MRAM(磁阻随机存取存储器)的磁阻写/读存储器涉及如下的存储器，在该存储器中人们可以通过地址来存储和再读出数据。所述存储器通常具有一个或多个存储单元，其中存储器效应是存在于一个或多个存储单元的磁可变的电阻当中。

迄今研制了给所述的磁阻存储器使用具有二进制存储内容的单值存储单元。这种存储单元由两根交叉的、优选为垂直对准的电线组成。在该电线的交叉点处有一个由两个磁层组成的层系统，其中一个层由软磁材料组成而另一层则由硬磁材料组成。在所述的磁层之间有一个隧道氧化物。这种存储单元可结合附图1来进行说明。所述磁层内的磁化方向可以根据磁化状态来平行或反平行地对准。按照磁层中的磁化方向，所述的存储单元将具有不同的电阻。在此，平行的磁化方向将导致存储单元的低电阻，而反平行磁化方向则导致较高的电阻。

就写这种存储单元或把信息存储到这种存储单元而言，迄今是以如下方面为出发点，即只再磁化所述存储单元的软磁层，而所述的硬磁层不被再磁化。这种再磁化是通过如下方式来实现的，即向所述的两根电线这同时馈入大电流。该电流在所述两根电线的交叉点处所产生的磁场在那儿具有足够大的场强，以再磁化所述的软磁层。

但这类单值存储单元具有一系列的缺点。首先，由于所述的二进制存储内容而限制了其存储容量。因此，为了存储更大的信息量，需要大量的存储单元，这便导致整个存储器需要较大的面积。

存储单元的读出譬如通过相应的电阻测量来实现。如果存储单元的信息内容被改变，则其电阻也会被改变。然后便可以测量该改变的电阻或这种电阻变化。

另一种用于从磁阻存储器读取信息的方法涉及所谓的“损毁读取”，它借助的是检测电压或电流脉冲。该方法在原理上表现为一种写过程，其中向所述的存储单元写入预定的信息。根据所述存储单元是否改变其信息内容，可以在相应的读出线上检测一个电流或电压脉冲，或者不出现该脉冲。在此，每个读取过程都会导致单元的信息损失。为了补偿该损失，在读取过程结束之后重新把读出的信息写回到所述的存储单元中。

由于单值的存储单元为实现功能强大的存储器系统而存在面积需要量较大的问题，所以已经研制了多值的存储器方案，但该方案在如今只被建议用于不同于MRAM的存储器类型。这种存储器类型譬如涉及一种可电写入和擦除的EEPROM(电可擦PROM)。在此，原则上为连续的数值范围的某些子范围被设置成一些离散状态。在MRAM存储单元内不能进行这种分配，因为不可能存储连续可变的信息。也就是说，从原理上讲，MRAM存储单元已经基本表现为一种具有有限离散状态数量的系统。所以在所述EEPROM方面的多值措施不能用于所述的磁阻存储器。

另外，就多值的结构而言，US-A-5,585,986公开过一种用于读出磁数据存储器系统的数字磁阻传感器。该传感器具有一种多层结构，其电阻可以被测量。所述多层结构由许多铁磁层组成，其中，通过由相应数据载体产生的外部磁场来影响各层的磁矩和磁化方向。所述多层结构的铁磁层的磁化方向应根据不同的磁场强度来相互独立地进行调整。当外部磁场变化时，以该方式逐步地改变所述传感器的电阻，由此获得一个数字输出信号。

从上述现有技术出发，需要提供一种磁阻的写/读存储器和一种用于读写该存储器的方法，其中，它们能克服上述现有技术的缺点和问题。尤其在尽可能地节省面积方面需要提供一种改善的MRAM存储器和一种读写该MRAM存储器的合适方法。

根据本发明的第一方面，该任务由如下的磁阻写/读存储器来解决，即：它具有一个或多个存储单元，其中每个存储单元都具有两根交叉的电线和一个位于所述电线的交叉点处的、由磁层构成的层系统。根据本发明，该存储器的特征在于：所述的层系统被构造为具有两个或多个磁层的多层系统；至少两个、但最多是所有的磁层具有可以相互独立调整的磁化方向；而且所述各个层中的磁化方向根据流过所述电线的电流进行变化，或可以这样变化。

利用这种方式获得了一种多值存储器，它具有一个或多个多值存储单元，并由此具有相应大的存储容量。另外，该存储器或至少一个存储单元可以简单地进行写和/或读。

本发明的存储器或构成该存储器的一个或多个存储单元的基本特征在于，在两根电线的交叉点处使用了一种n层的多层系统，该多层系统具有n≥2个磁层，其中在m个层内(n≥m≥2)可以与另一层内的磁化方向无关地调整磁化方向。在单值的存储器中，磁化方向只在一个磁层内调整，而在本发明的多值存储器中，这可以在任意多数量的磁层内实现。在此，所述磁层的数量可以根据需要和应用情况进行变化，所以本发明并不局限于某个层数。原则上已经在US-A-5,585,986中讲述过类似的多层系统。

本发明存储器的另一基本特征在于，各个层中的磁化方向是根据流经所述电线的电流来改变的，或可以这样改变。

为了相互独立地调整各个磁层中的的磁化方向，必须在不同的场强或导线中的不同电流情况下实现各个层中的磁化方向调整(再磁化)。

在US-A-5,585,986中，该要求是通过如下方式来满足的，即所述的多层系统具有一种结晶结构，而且各个层具有不同的结晶对称性，由此表现出磁各向异性。另外，所述的层还具有不同的厚度和层形态学。如果所述的多层系统遭受一个具有特定场强的磁场，那么，根据所施加的磁场场强和相应层的特定结构，单个或多个层内的磁化方向将会被改变或不变。这种系统因为所述多层系统的复杂制造过程而变得非常费事和昂贵。

利用本发明的磁阻存储器开辟了另一种方法。该方法允许用基本相同的结构和形态学来制造磁层。通过不同电流强度产生的不同场强来相应地专门调整各个层内的磁化方向。为此，在所述两个交叉的导线中均流经一个电流，由该电流在所述两根导线的周围分别产生一个磁场。该磁场作用于所述多层系统的各个磁层，由此可以在足够大的场强下再磁化所述的层。因此，各个层的再磁化取决于流经两根导线的电流大小和相应磁层相对于所述电线的空间布置。

因此，其中馈入了产生磁场的电流的交叉导线被作用为所述存储器的合适读/写工具。在单值存储器中是在所述的导线内馈入一个固定的电流，该电流改变或不改变所述可再磁化的磁层内的磁化方向，而本发明所利用的是，所述磁场强度的变化适合被用来相互独立和专门地调整多个磁层中的磁化方向。可以用不同的方式和方法来提供不同的磁场强度，这在下文的说明中还将进一步阐述。

本发明存储器的优选实施方案由从属权利要求给出。

优选地，各个层中的所述可以相互独立调整的磁化方向通过不同的电流强度进行调整，或可以这样调整。这可以根据存储单元的结构而用不同方法来实现。于是，譬如可以设想向所述的电线中馈入不同电流强度的电流来调整各个磁层中的不同磁化方向。通过不同的电流强度可以分别产生不同的场强，该场强又可以导致一个或多个层内的磁化方向发生变化或不变。

在另一改进方案中，所述的电线是针对高电流密度设计的。

优选地，所述的各个磁层由一种铁磁材料构成。但本发明并不局限于某些材料类型，所以也可以采用其它合适的材料。

优选地，所述的交叉电线是相互正交地对准的。

在另一改进方案中，在两个相邻的磁层之间总是设置一种隧道电介质。这种由磁层和其间的隧道电介质层所组成的多层系统的导电性基本上是由所述隧道电介质的隧道效应决定的。因此，为所述的隧道电介质选择一个合适的厚度是非常有意义的，因为层厚的变化会导致导电性的强烈变化，其原因在于，所述的隧道电流与所述的层厚近似地呈指数变化。因此优选地(但不是唯一地)采用厚度为2～3nm的薄隧道电介质层。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于写上述本发明的磁阻写/读存储器的方法，根据本发明，该方法的特征在于如下步骤：a)向所述的两根电线馈入可变的电流，并由此产生一个磁场；以及b)通过所述产生的磁场的场强来调整所述多层系统的各个磁层中的磁化方向，其中，所述各个层中的磁化方向相互独立地通过分别需要不同大小的场强来进行调整，使得首先在那些为此需要最大场强的层中调节所述的磁化方向，随后在那些为此分别需要较低场强的层中调整所述的磁化方向。

利用本发明的该方法，可以简单地写多值的磁阻存储器或其一个或多个存储单元。根据本发明，必须如此地选择向各个磁层存储信息的顺序，使得按照用于再磁化各层的场强的递减顺序(也就是说利用与相应层所需的场强相匹配的编程电流强度)来写所述存储单元的各层。由此可以确保：在向那些用较低编程场强进行写入的其它层中写入信息时，已经写入到存储单元内的、用较高的编程场强写入到层中的信息不会被再次重写。

另外，本发明的该方法的优点、作用、效应和功能方式也可以完全参考和阅读本发明存储器的上述实施方案。本发明该方法的优选改进方案由从属权利要求给出。

优选地，通过向所述的导线馈入不同大小的电流来产生所述作用于各层的不同场强。另外，所述作用于各层的不同场强是通过所述各层距所述电线的不同空间间隔来确定的。

此外也可以构想：各层中的磁化方向调整是根据不同大小的场强并通过层材料特性和/或层厚和/或层形态学来影响的。

由于所述的实施例已在上文详细讲述过，所以在此可以参考所述的实施方案。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于读取上述本发明的磁阻写/读存储器的方法，根据本发明，该方法的特征在于如下步骤：a)向所述多层系统的各层馈入预定的数据，使得所述的数据首先被馈入到那个为调整磁化方向而需要最低场强的层中，随后把所述的数据分别馈入到需要下一更高场强的层中；以及b)根据所述馈入的预定数据测定所述一个或多个层中的可能信息变化。

利用本发明的该方法可以简单地读取多值磁阻存储器。除了下面的说明之外，该本发明该方法的优点、作用、效应和功能方式还可以完全参考和阅读本发明存储器的上述实施方案以及本发明的用于写存储器的方法。

本发明的这种用于读取存储器的方法的基本思想在于，分别向一个或多个存储单元的各个磁层内依次地写入一个预定的数据，也就是说写入预定的信息。如果在馈入所述预定的数据之后所述层的信息内容发生变化，便意味着所述的层预先是用另一信息写过的。如果在馈入所述预定的数据之后所述层的信息内容不发生变化，便意味着所述的层预先也是用相同的信息写过的。在此，知道所述的目标数据是非常有意义的。如上所述，有目的地写入所述存储单元的那个数据便可以理解为目标数据。

可以用合适的方式测定并随后分析所述可能的信息变化或无信息变化。对此的实施例将在下文的说明中详细讲述。

为了最佳地执行存储器的一个或多个存储单元的读出，首先读取、也即用预定的数据有目的地再写那些为调整磁化方向而需要最小编程场强的层。由此，所述预定的数据以编程场强递增的顺序被写到存储单元之中或存储单元的多层系统的各层之中。

本发明的该方法的优选实施方案由从属权利要求给出。

优选地，可以通过测量电阻来实现所述一个或多个层中的可能信息变化。因为存储单元的电阻取决于各层的磁化方向(平行或反平行)，并且所述的磁化方向可以根据可能的信息变化而产生变化，所以该电阻的变化便意味着所述存储单元的或存储单元各层的信息内容已发生变化。

也可以通过检测电流和/或电压脉冲来实现所述一个或多个层中的可能信息变化。如果向存储单元的各层内写入预定的数据导致了信息变化，那么就也会产生可以被检测到的电流和/或电压脉冲。如果没有检测到电流和/或电压脉冲，则意味着在所述一个或多个层内也没有产生信息变化。

优选地，测定所述一个或多个层中的可能信息变化是在所述的馈入之前及之后和/或在向所述一个或多个层馈入预定的数据期间实现的。

在一种优选的改进方案中，向所有的层中依次馈入一个总是具有相同值的确定数据。如果以二进制的形式、也即用逻辑值“1”和“0”把信息存储到所述的存储单元内，那么所述依次被写入到存储单元的所有层中的预定数据要么具有逻辑值“1”，要么具有逻辑值“0”。

在另一改进方案中，也可以设想向所述的层中依次馈入一个服从交变算法的数据。

优选地，在测定可能的信息变化时，把每个层的结果至少暂时地临时存储在一个合适的存储装置中。

下面借助实施例并参考附图来详细讲述本发明。其中：

图1a简要地示出了现有技术的磁阻存储单元的透视图；

图1b示出了图1a的存储单元的简要剖视图；

图1c示出了图1a的存储单元的等效电路图；

图2示出了本发明多值的、此处为两值的存储单元的第一实施方案的简要剖视图，其中在子视图a)～d)中描绘了不同的磁化状态；以及

图3示出了本发明多值存储单元的另一实施方案的剖视图。

在图1a～1c中示出了现有技术的磁阻存储器10的一个存储单元11。存储单元11被构造为单值的存储单元，且具有上部电线12和下部电线13，所述两种电线相互正交地对准并在存储单元11的交叉点处交叉。在所述的交叉点处有一个具有两个磁层的层系统14，所述的两个磁层为硬磁层15和软磁层16。在层15、16之间有一个隧道电介质20。图1c给出了存储单元11的等效电路图，其中包含在导线12、13之间的电阻19的值取决于磁层15、16中的磁化方向17、18是平行的还是反平行的。图1b所示的例子给出了磁化方向的反平行对准。平行的磁化方向将导致较低的电阻值，而反平行的磁化方向将导致较高的电阻值。

为了写所述的存储单元11，在导线12、13中同时馈入大电流。该大电流在所述导线12、13的交叉点处产生的磁场在那儿具有足够大的场强，以用于再磁化所述的软磁层16。

存储单元11和由一个或多个这种存储单元11所构成的存储器10需要较大的面积。

为了避免该缺点，建议了一种具有多值存储单元的多值存储器。图2和3示出了本发明的这种存储单元的两个实施例。

在图2中简要地描绘了所谓的双层两比特存储单元11。在两根电线12、13的交叉点处有一个多层系统30，它具有多个磁层31、32和置于其间的隧道电介质35。

原则上，所述的多层系统具有n个磁层，其中适合条件n≥2。在该n个层中，可以在m个层内与其它相邻层无关地调整磁化方向，其中适合：n≥m≥2。

在图2所示的实施例中示出了两个磁层31、32，其磁化方向33、34总是可以相互独立地进行调整。在此，图2的子视图2a～2d示出了在磁层31、32中的不同可能的磁化状态和磁化方向33、34。

为了在下文阐述存储单元11的存储内容，以术语的形式利用相应的参考数字引入了磁化方向的名称以及逻辑“0”和逻辑“1”，其中，对于从上往下数的各个磁层，其磁化方向是利用数值递增的参考数字来描述的。逻辑“0”代表图2和3中所示的磁化方向“从左向右”，逻辑“1”代表图2和3中所示的磁化方向“从右向左”。

根据图2和其中所示的子视图，在磁层31、32中一共可以调节出四种不同的磁化状态。如图2a所示，按照上面所引入的术语，可调的磁化方向33适合逻辑“0”，而磁化方向34同样也适合逻辑“0”。按照图2b得出33＝“0”和34＝“1”。图2c示出了磁化状态33＝“1”和34＝“0”，而图2d示出了磁化状态33＝“1”和34＝“1”。

在图3中示出了用于存储单元11的另一实施例。存储单元11也具有两个交叉的电线12、13和位于所述导线12、13的交叉点处的多层系统40，在当前情况下，所述的多层系统由5个磁层40～45构成，在这些磁层中各个磁化方向46～50可以与相邻的层无关地进行调整。在所述的磁层之间分别有一个隧道电介质51。

根据上文所引入的术语，图3所示的存储单元11具有以下磁化状态：层41的磁化方向46为逻辑“0”，层42的磁化方向47为逻辑“1”，层43的磁化方向48为逻辑“1”，层44的磁化方向49为逻辑“0”，以及层45的磁化方向50为逻辑“1”。

为了有目的地写上述存储单元11，所述不同的磁层31、32或41～45必须满足如下要求，即为再磁化它们而在产生磁场的导线12、13内需要不同的电流强度。这可以通过如下方式来实现，即在各个层中分别需要不同的磁场强度。在该情形下，可以向导线12、13内馈入不同大小的电流，于是由该电流为再磁化各个层而产生不同的场强。在此，为了提供不同大小的场强以调整各个层内的磁化方向，另外还利用了需要被再磁化的层和导线12、13的不同空间间隔。

必须如此来选择向存储单元11的各个层31、32或41～45存储信息的顺序，使得存储单元的各个层按照编程场强递减的顺序进行写入。这意味着，首先写那些为调整磁化方向而需要最大场强的层，接着写那些为此需要较低场强的层。由此确保了在向其它层写入信息时，已经写入到存储单元11内的、事先用较高的编程场强写入到层中的信息不会被再次重写。

本发明为读出过程规定了一种方法，它譬如是基于直接测量电阻，或是基于在向需读取的存储单元11的相应比特馈入预定信息的情况下检测电流和/或电压脉冲。在整个读取过程中，所述存储单元11的信息内容基本保持不变。但是不需要附加的参考存储单元。

现在示例地借助一个被实施为2比特单元的m比特单元来讲述所述的读取方法。该单元恰好具有m(m＝2)个可再磁化的、分别具有磁化方向MRk的层，其中MRk表示所述从上往下数的第k个磁层的磁化方向，且1≤k≤m。所述的存储单元包含以二进制形式存在的数据Dk，其中1≤k≤m。为了读取该单元，现在以编程场强递增的顺序(也即首先写那些为调整磁化方向而需要较低场强的层)向该单元写入预定的数据Ek＝Efix，其中1≤k≤m。譬如对于所有的k，该数据可以为逻辑值“0”或“1”。

因此，对于1≤k≤m的所有第k层，在该读取过程开始之前适合MRk＝Dk，在结束之后为MRk＝Efix。

如果在第k个写过程这检测到一个电流和/或电压脉冲，那么这必然是已成功地改变相应第k个数据的指示，也就是说适合Dk＝Efix的互补数据。因此，在向所述的层写入预定的数据Efix之前，该层就已经存储了Efix的互补数据。如果没有检测到电流和/或电压脉冲，则适合Dk＝Efix。从而在读取过程结束之后，便可以得出所述存储单元的全部二进制数据。

为替代检测电流和/或电压脉冲，也可以在每次向相应的比特馈入预定的数据Efix之前和之后为每个写过程测试电阻。在m比特单元-本实施例中为2比特单元-的情况下，这意味着必须一共进行m+1次测量，在本例中为3次测量。为各个层测量的单个值至少暂时地被临时存储在一个合适的存储装置中。如果在测试过程中第k个比特在馈入数据Efix之前和之后的电阻值不相同，则馈入数据Efix之前的Dk原本就是Efix的互补数据。若在馈入数据Efix之前和之后的电阻值相等，则得出Dk＝Efix。

上述的读取方法被用来读取2比特单元。但对于m＞2的m比特单元，也可以采用类似的方法。

Claims (17)

1.磁阻写/读存储器，具有一个或多个存储单元(11)，其中每个存储单元(11)都具有两根交叉的电线(12，13)和一个位于所述电线(12，13)的交叉点处的、由磁层构成的层系统，

其特征在于：

所述的层系统被构造为具有两个或多个磁层(31，32；41～45)的多层系统(30；40)，

至少两个、但最多是所有的磁层(31，32；41～45)具有可以相互独立调整的磁化方向(33，34；46～50)，而且

所述各个层(31，32；41～45)中的磁化方向(33，34；46～50)根据流过所述电线(12，13)的电流进行变化，或可以这样变化。

2.如权利要求1所述的磁阻写/读存储器，其特征在于：

各个层(31，32；41～45)中的所述可以相互独立调整的磁化方向(33，34；46～50)通过不同的电流强度进行调整，或可以这样调整。

3.如权利要求1或2所述的磁阻写/读存储器，其特征在于：

所述的电线(12，13)是针对高电流密度设计的。

4.如权利要求1～3之一所述的磁阻写/读存储器，其特征在于：

所述的磁层(31，32；41～45)由一种铁磁层构成。

5.如权利要求1～4之一所述的磁阻写/读存储器，其特征在于：

所述的交叉导线(12，13)是相互正交地对准的。

6.如权利要求1～5之一所述的磁阻写/读存储器，其特征在于：

在两个相邻的磁层(31，32；41～46)之间总是设置一种隧道电介质，其厚度尤其为2～3nm。

7.用于写如权利要求1～6之一所述的磁阻写/读存储器的方法，其特征在于如下步骤：

a)向所述的两根电线馈入可变的电流，并由此产生一个磁场；

b)通过所述产生的磁场的场强来调整所述多层系统的各个磁层中的磁化方向，其中，所述各个层中的磁化方向相互独立地通过分别需要不同大小的场强来进行调整，使得首先在那些为此需要最大场强的层中调节所述的磁化方向，随后在那些为此分别需要较低场强的层中调整所述的磁化方向。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

通过向所述的导线馈入不同大小的电流来产生所述作用于各层的不同场强。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于：

所述作用于各层的不同场强是通过所述各层距所述导线的不同空间间隔来产生的。

10.如权利要求7～9之一所述的方法，其特征在于：

各层中的磁化方向调整是根据不同大小的场强并通过层材料和/或层厚和/或层形态学来影响的。

11.用于读取如权利要求1～6之一所述的磁阻写/读存储器的方法，其特征在于如下步骤：

a)向所述多层系统的各层馈入预定的数据，使得所述的数据首先被馈入到那个为调整磁化方向而需要最低场强的层中，随后把所述的数据分别馈入到需要下一更高场强的层中；以及

b)根据所述馈入的预定数据测定所述一个或多个层中的可能信息变化。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：

测定所述一个或多个层中的可能信息变化是通过测量电阻来实现的。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于：

测定所述一个或多个层中的可能信息变化是通过检测电流和/或电压脉冲来实现的。

14.如权利要求11～13之一所述的方法，其特征在于：

测定所述一个或多个层中的可能信息变化是在所述的馈入之前及之后和/或在向所述一个或多个层馈入预定的数据期间实现的。

15.如权利要求11～14之一所述的方法，其特征在于：

向所有的层中依次馈入一个总是具有相同值的数据。

16.如权利要求11～14之一所述的方法，其特征在于：

向所述的层中依次馈入一个服从交变算法的数据。

17.如权利要求11～16之一所述的方法，其特征在于：

在测定可能的信息变化时，把每个层的结果至少暂时地临时存储在一个存储装置中。

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