CN1388533A - 低功率mram存储器阵列 - Google Patents
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Abstract
MRAM存储器阵列(100)具有非线性字线(110)和线性位线(120)。字线(110)在存储器单元位置处(130)与位线(120)交叉,并且基本上在交叉点处与位线(120)共存。当电流通过字线(110)和位线(120)时,在共存点处字线(110)和位线(120)产生的磁场大致对齐。因此结果得到的场的磁化强度大于传统正交取向场。由于增加了字线(110)和位线(120)产生的场,可使用更小的字线和位线电流,这降低了存储器阵列(100)需要的尺寸。存储器阵列(100)还可利用具有用于产生横向磁场的磁性层(162)的存储器单元(150)。横向场与字线(110)和位线(120)产生的磁场正交取向,并且增加存储器单元(150)的转换的可重复性。横向场还减少转换存储器单元(150)所需的电流。
Description
技术领域
技术领域是用于数据存储的随机存取存储器。尤其，技术领域是具有降低的功率要求的磁随机存取存储器阵列。
背景技术
磁随机存取存储器(MRAM)是用于长期数据存储的非易失性存储器类型。从MRAM器件存取数据比从传统长期存储器件，如硬盘驱动器存取数据快得多。另外，MRAM是致密的，并且与硬盘驱动器和其他传统长期存储器件相比，耗费更小的功率。
典型的MRAM器件包括存储器件单元阵列。图1表示出传统存储器件单元阵列10。存储器单元阵列10包括沿着存储器单元阵列10的行延伸的字线14和沿着存储器单元阵列10的列延伸的位线16。存储器单元12位于每个字线14和位线16的交叉点上。每个存储器单元12存储一比特信息作为磁化取向。每个存储器单元12的磁化取向在任何给定的时间假设是两个稳定取向之一。两个稳定取向，平行和反平行，代表“1”和“0”的二进制逻辑值。
选择的存储器单元12的磁化取向通过向在选择的存储器单元12处交叉的字线14和位线16提供电流来转换。电流产生磁场，当磁场组合时，把选择的存储器单元的磁化取向从平行转换为反平行，或者相反。
传统存储器单元12的磁化取向由图2A和2B表示。参考层24和数据存储层18确定存储器单元12的磁化取向。数据存储层18的磁化可由在图2A和2B中在数据存储层18上的箭头表示的两个方向之一上取向。两个可能的磁化方向与数据存储层18的“易轴”对齐。参考层24包括具有固定或“被钉扎”的磁化的磁性材料层(由参考层24上的箭头表示)。参考层磁化被钉扎在与易轴平行的方向上。提供给在存储器单元12处交叉的字线14和位线16的电流在图2A和2B所示的状态之间转换数据存储层18的磁化。由于改变存储器单元磁化引起的电阻改变可由读出电流检测，以确定存储器单元12的二进制状态。
如图1，2A和2B所示，字线14和位线16是线性的，并且数据存储层18的易轴与字线14平行取向。
图3表示传统线性字线14和位线16产生的场，以及存储器单元12的结果得到的磁化强度M。以轮廓形式表示出位线16，以便于在图3中存储器单元12的磁化强度M是可见的。通过位线16的电流Iy导致磁场Hx。当电流Ix通过字线14时产生类似的磁场Hy。磁场Hx和Hy组合来转换存储器单元12的磁取向。
由于通过正交电流产生场Hx和Hy，场Hx和Hy产生的转换场的强度小于Hx+Hy。因此，没有全部使用电流Ix和Iy。例如，如果场Hx和Hy大小相等，结果得到的场离开字线14、位线16在45度角度上取向，并且具有大约0.7·(Hx+Hy)的大小。因此为产生需要的转换场，字线和位线的正交关系导致对电流Ix和Iy的更高的电流要求。
高的字线和位线电流是不希望的，因为存储器阵列功耗在MRAM应用中是一个严重的制约因素。高的字线和位线电流要求更大的位线和字线以及写入电流来处理高的电流。这导致更大更昂贵的MRAM器件。从而，要求降低字线和位线需要的电流。
因此存在一种降低MRAM存储器阵列的功耗的需要。
发明内容
具有非线性字线和产生横向磁场的永磁层的低功率MRAM存储器阵列满足上述需求并实现在传统MRAM器件中未出现的其它优点。
根据第一方面，MRAM存储器阵列包括：存储器单元阵列；多个在第一方向延伸的非线性字线；和多个在第二方向延伸的实质上线性的位线。在多个存储器单元位置处字线与位线交叉，并且在存储器单元位置处放置存储器单元。
还根据第一方面，非线性字线部分在y方向上与位线部分共存。由于字线和位线在y方向共存，字线和位线中的电流产生的磁场在共存部分X方向对齐。因此增大了在共存部分的结果得到的磁场强度。另外，结果得到的场与位于共存部分的存储器单元的易轴更密切地对齐。将结果得到的场与易轴对齐减小了改变存储器单元的磁化取向所需的场的大小。因此，可使用更小的字线和位线电流来转换存储器单元的二进制状态，并降低存储器阵列的功耗。
根据第二方面，每个存储器单元包括具有横过存储器单元的易轴来取向的磁化方向的横向取向磁性层。横向场改善了存储器单元转换的可重复性，并且降低转换存储器单元所需的字线和位线电流。
而且，根据第二方面，横向磁场可在任何时候施加，从而永磁体可用来形成横向取向磁性层。不需要电流来产生横向磁场，进一步降低了存储器阵列的功耗。
联系附图，从下面的详细说明中，其他方面和优点变得明显。
附图说明
图1表示传统存储器单元阵列；
图2表示传统存储器单元的逻辑状态；
图3表示传统存储器单元处产生的磁场；
图4是MRAM存储器阵列实施例的平面图；
图5是根据MRAM存储器阵列的实施例的非线性字线的平面图；
图6表示根据MRAM存储器阵列的实施例的非线性字线部分；
图7表示根据MRAM存储器阵列的实施例的位线部分；
图8表示非线性字线的另一实施例；
图9是图4所示MRAM存储器阵列的存储器单元的透视图。
具体实施方式
通过优选实施例并通过附图来说明MRAM存储器阵列。
图4是具有非线性字线110和位线120的MRAM存储器阵列100的平面图。在存储器阵列100中，字线110在x方向延伸，并且位线120在y方向延伸。字线110在存储器单元位置130处与位线120交叉(阴影所示)。位线120叠加在字线110上，从而仅跨过位线120之间的间隙的字线110部分在图4中是可见的。参考序号150表示存储器单元，在图4中不可见，夹在字线110和位线120之间。存储器单元150位于阴影的存储器单元位置130的每一个之处，夹在交叉的字线110和位线120之间。
为了图示，图4中表示出在16个存储器单元位置130处交叉的两个字线110和8个位线120。实际上，可使用例如1024×1024存储器单元阵列或更大的阵列。
存储器阵列100响应于写入电路(未示出)，在写入操作期间把电流提供给字线和位线110，120。读出电路也耦合于存储器阵列100，以检测存储器单元150的二进制状态。
图5是非线性字线110的平面图。在图5的实施例中，非线性字线110包括第一腿部112、第二腿部114、第三腿部116和第四腿部118。第一到第四腿部112，114，116，118端对端连接，每个腿部与相邻的腿部正交。第一到第四腿部112，114，116，118的模式(pattern)重复，以形成非线性字线110。当非线性字线110设置在MRAM存储器阵列100中时，第一腿部112和第三腿部116在y方向上与位线120部分共存。
图6表示字线110部分以及字线110中的电流Ix产生的磁场HxW。下标“W”表示场HxW由字线110产生。图7表示位线120部分以及位线120中的电流Iy产生的磁场HxB。下标“B”表示场HxB由位线120产生。
当字线110和位线120设置在存储器阵列100中时，在y方向上延伸的字线110部分(在这个实施例中，第三腿部116)在y方向上与位线120部分共存。存储器单元150在存储器单元位置130处夹在字线110和位线120之间，在该位置这些部分共存。在共存位置处，电流Ix和Iy基本上在y方向对齐，这意味着场HxW和HxB在x方向上基本上对齐。因此，结果得到的场强近似HxW+HxB。结果得到的场在其通过存储器单元150时还基本上与存储器单元150的易轴(双向箭头)对齐。将结果得到的场称为“基本上与易轴对齐”表示结果得到的场在y方向上具有小的矢量分量。
将场HxW和HxB并且从而将结果得到的场与易轴对齐减小了改变数据存储层152的磁化方向所需的场HxW和HxB的大小。因此，可使用更小的字线和位线电流Ix，Iy来转换存储器单元150的二进制状态，降低存储器阵列100的功耗。更小的字线和位线电流Ix，Iy还意味着可使用更小的字线110和位线120，提高存储器阵列100的密度并降低成本。
图8表示非线性字线的另一可行实施例。参考图8，非线性字线210包括反复的序列第一腿部212、第二腿部214、第三腿部216和第四腿部218。第一到第四腿部212，214，216，218之一与相邻腿部成锐角β。第一腿部212和第三腿部216对齐来在存储器单元位置230处(阴影所示)与位线220(虚线所示的那个位线)交叉。由于电倾向于在位置之间的最短路径中传播，增加第二和第四腿部214，218的长度。因此，电流Ix基本在y方向上通过第一腿部212和第三腿部216传播。这个结构在x方向上提供磁场HxW和HxB的更好的对齐。
非线性字线的另一实施例可使用在图4所示的MRAM存储器阵列中。例如，图5所示的非线性字线110可包括连接在y方向上延伸的字线110部分的圆化的腿部。另外，非线性字线110不需要包括准确地与位线120的部分共存的部分。如图8所示，字线部分可被偏移一定程度，以更好地对齐字线和位线中的电流。该部分也可以在传统存储器单元阵列中在字线和位线之间取向除在小于90度角的另外的非零角度。例如，该部分可取向来使得字线和位线电流按彼此成小于例如45度的角度取向。
图9表示如图4所示的存储器单元150。存储器单元150可以是自旋相关隧道(SDT)器件。存储器单元150包括数据存储层152，其具有可在二进制状态之间转换的磁取向的易轴164。势垒层154将数据存储层152与被钉扎层156分开。被钉扎层156具有固定取向以便于在施加的磁场存在的情况下不旋转的磁化轴166。如果数据存储层152与被钉扎层156的磁化在相同方向上，将取向叫作“平行”。如果在相反方向上，则取向叫作“反平行”。这两个取向分别表示二进制状态“1”和“0”。
数据存储层152与被钉扎层156被势垒层154分开。势垒层154允许在数据存储层152与被钉扎层156之间产生量子力学遂穿。这个遂穿现象是电子自旋相关的，使得SDT器件的电阻为数据存储层152与被钉扎层156的磁化相对取向的函数。
反铁磁(AF)钉扎层158设置来钉扎被钉扎层156的磁化。隔离层160设置在AF层158与横向取向的磁性层162之间。根据一个实施例，横向取向的磁性层162在磁化168的方向上提供横向磁场，其可与y轴对齐。由于字线和位线在本发明的实施例中可基本上共存，横向取向的磁性层162可在存储器单元150中提供单独的横向磁场。
横向磁场是需要的，因为横向磁场迫使数据存储层152的磁场沿着一个路径在同一象限内连续旋转。这增加了存储器单元150的转换的可重复性。横向磁场还降低转换存储器单元150所需的电流Ix和Iy的量。降低转换电流Ix和Iy提供附加的好处是增大存储器单元密度，因为可使用更小的字线和位线。
根据上述实施例，横向磁场可继续不断地施加，并且从而横向取向的磁性层162可由永磁体层构成。因此，不需要电流来产生横向磁场，这降低了存储器阵列的功率要求。作为另一实施例，横向取向的磁性层162可包括被钉扎的横向磁化的层和钉扎被钉扎层的磁化的反铁磁材料的钉扎层。
横向取向的磁性层162可由各种磁性材料制成。例如横向取向的磁性层162可由钴铬合金制成。通过在横向上施加大的磁场在室温下设置横向取向的磁性层162。选择横向取向的磁性层162的厚度来提供需要的横向磁场。
在MRAM存储器阵列100中使用的存储器单元150不是仅适合于在MRAM存储器阵列100中使用的一种类型的存储器单元。例如，其他类型的存储器单元，如巨磁电阻(GMR)器件也可用在MRAM存储器阵列100中。
MRAM存储器阵列100可被用于很多种应用中。一种常规应用由具有MRAM存储模块的机器来体现。MRAM存储模块可包括用于长期存储的一个或多个MRAM存储器阵列。
对于诸如笔记本计算机或个人计算机的机器而言，MRAM存储模块可包括若干MRAM存储器阵列。在诸如服务器的应用中，MRAM存储模决可包括大量MRAM存储器阵列。这种MRAM存储模块可替代或补充传统的长期存储器件，如硬盘驱动器。
尽管参考例示的实施例说明了MRAM存储器阵列，但对于熟悉本领域的技术人员而言，显然可进行多种变形，并且本发明公开旨在覆盖其所有变形。
Claims (10)
1.一种MRAM存储器阵列(100)，包括：
存储器单元(150)阵列；
多个在第一方向(x)延伸的非线性字线(110)；和
多个在第二方向(y)延伸的实质线性的位线(120)，其中在多个存储器单元位置(130)处字线(110)与位线(120)交叉，并且在存储器单元位置(130)处放置存储器单元(150)。
2.根据权利要求1所述的MRAM存储器阵列(100)，其中字线(110)包括：
多个端对端连接并且彼此成角度设置的腿部(112，114，116，118)。
3.根据权利要求2所述的MRAM存储器阵列(100)，其中每个腿部(112，114，116，118)与相邻的腿部(112，114，116，118)大致正交。
4.根据权利要求2所述的MRAM存储器阵列(100)，其中每个腿部(112，114，116，118)与相邻的腿部(112，114，116，118)以锐角相对。
5.根据权利要求2所述的MRAM存储器阵列(100)，其中字线(110)的交错的腿部(112，114，116，118)在存储器单元位置(130)处与位线(120)部分基本共存。
6.根据权利要求1所述的MRAM存储器阵列(100)，其中字线(110)部分在存储器单元位置(130)处与位线(120)部分基本共存。
7.根据权利要求6所述的MRAM存储器阵列(100)，其中字线(110)部分在存储器单元位置(130)处与位线(120)部分平行。
8.根据权利要求1所述的MRAM存储器阵列(100)，其中每个存储器单元(150)在第二方向(y)上产生横向磁场。
9.根据权利要求8所述的MRAM存储器阵列(100)，其中每个存储器单元(150)包括：
横向取向的磁性层(162)，产生横向磁场；
数据存储层(152)，具有易磁化轴(164)；
被钉扎层(156)，其中横向磁场横过易磁化轴(164)。
10.根据权利要求1所述的MRAM存储器阵列(100)，其中字线(110)设置来接收字电流，并且位线(120)设置来接收位电流，在存储器单元位置(130)处将字电流设置为与位电流成小于45度的角度。
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