CN1388972A - 磁存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于屏蔽磁存储器防止外部磁场的干扰。磁存储器(1)包括磁存储元件的阵列(2),每个磁存储元件(3)包括至少一层磁材料(4)。磁存储元件(3)的操作基于磁阻效应。存储器(1)利用屏蔽层(4)被保护防止外部强磁场的干扰,屏蔽层(14)被分成覆盖存储元件(3)的区域(5)。因为由屏蔽层(4)的区域(5)产生的外部磁场的大的衰减,所以存储器(1)不会被外部强磁场擦除。

Description

磁存储器
本发明涉及一种包括磁存储元件阵列的磁存储器，每个存储元件包括至少一层磁材料，所述存储器具有屏蔽磁场的屏蔽层。
在US5902690中披露了这种磁存储器。
由于磁存储器具有短的读写时间，非易失记忆性能和相当低的功率消耗，磁存储器可以代替SRAM，DRAM，FLASH和非易失存储器，例如EPROM和EEPROM。磁存储元件的操作基于磁阻效应，这意味着，磁场决定磁材料的磁化方向，并且当使电流通过所述材料时，材料的电阻取决于磁材料的磁化方向。借助于磁场，材料的磁化方向可以在两种状态之间转换。
一种磁化状态相应于相当低的电阻，即0状态，另一种状态相应于相当高的电阻，即1状态。通过利用局部磁场在每个存储元件中定向磁化，可以进行存储器的写操作。当外部磁场改变磁化方向的方位时，所述磁场可以对存储器进行擦除。所以需要屏蔽防止干扰磁场。
在已知的存储器中，屏蔽层的材料是不导电的铁氧体。
已知的屏蔽层的缺点在于，其不能完全屏蔽相对强的干扰磁场，例如几十kA/m的磁场，因为此时铁氧体屏蔽层已经磁饱和。一旦屏蔽层进入磁饱和状态，磁场便通过屏蔽层透过，因此，在存储元件中存储的磁方向可被翻转，因而非易失存储器被擦除。几kA/m的弱磁场便足以擦除存储元件。
在某种应用中，例如智能卡中，磁存储器必须被保护防止至少80kA/m的干扰磁场。利用已知的屏蔽层防止这样强的外部磁场是不可能的。
另一个缺点在于，已知的屏蔽层当干扰磁场较强时必须较厚。存储器通常被提供在硅半导体衬底上。在半导体技术中，使用薄膜技术生成多层。厚度超过10微米的屏蔽层是非常昂贵的，这是因为其需要长的淀积时间。
本发明的目的在于提供一种开头一节所述的磁存储器，其被屏蔽防止几百kA/m的相对强的干扰磁场。
在按照本发明的磁存储器中，所述目的通过把屏蔽层分裂成相互分开的区域实现了。
由于足够强的磁场而使磁层成为饱和的。因为在按照本发明的存储器中的屏蔽层被分裂成相互分开的区域，使得磁场可以在区域之间散开。在屏蔽层的磁区域中，磁场的磁力线被拉入磁材料中。在这些区域的磁力线的密度相对于连续的磁层而减少，因此使得较慢地发生磁化的饱和，从而和相同厚度的连续的屏蔽层相比，可以屏蔽较强的磁场。
最好是，每个存储元件，除去磁材料的第一层之外，还包括磁材料的第二层，其由非磁材料和所述第一层磁材料分开，这是因为，在这种存储元件中发生这样的磁阻效应，所述磁阻效应超过在只包括一层磁材料的存储元件中发生的磁阻效应。
自旋阀和磁隧道结包括这种层包，并且当磁场弱时它们用作磁存储元件是有利的。在其最基本的形式中，自旋阀是由软磁层构成的3层结构，其中由于相对弱的磁场、硬磁层和夹在其间的贵金属而使磁化改变。在一种磁隧道结中，两个磁层被一个电绝缘层分开。因为在自旋阀和磁隧道结中的磁阻效应相当大，它们非常适合用于磁存储元件。
屏蔽层的所述区域的位置最好这样设置，使得区域在存储元件上的垂直投影包括至少一个存储元件。当存储元件的尺寸处于亚微型的范围内时，使在存储元件上的屏蔽层的区域的垂直投影包括多个存储元件是有利的，这使得屏蔽区域的尺寸可以被容易地实现，并且一般地说，对屏蔽效果也具有有利的影响。
为了在存储元件的位置提供足够的屏蔽防止磁场的干扰，有两个条件必须满足。
第一，屏蔽层的材料的磁化作用必须保持在饱和值以下。在饱和值以上时，磁场将穿过所述材料。如果相对于区域的尺寸 w在存储元件和屏蔽层之间的距离小，例如0.5或更小，则磁化 M由M＝Happ1x/(1+xt/w)给出，其中Happ1是外部干扰磁场，x是磁化系数，t是屏蔽层的厚度。磁区域可以是任意的形状。一般地说，磁区域例如是矩形、方形、圆形或者六边形的。此时区域的尺寸分别相应于长度和宽度，直径或对角线。首先，充分的屏蔽要求满足方程t/w＞Happ1/Ms-1/x，其中Ms是磁化的饱和值。如果这个方程不满足，则屏蔽层会饱和。
因此，容易理解，由于厚度为t的屏蔽层被分裂成多个区域，区域的尺寸w比通过磁存储器的表面连续延伸的屏蔽层的尺寸w’小得多，使得在发生磁化饱和因而磁场可以穿过之前的干扰磁场大约大w’/w倍。
因而，当屏蔽层被分为多个区域时，从屏蔽干扰磁场的观点看来，也可以选择屏蔽层的厚度小于未分割时的屏蔽层的厚度。
第二，需要使屏蔽层的区域能够充分地衰减干扰磁场，使得在存储元件中的磁化方向不会颠倒。在饱和值之下，在磁存储元件的位置的磁场由H＝Happ1/(1+xt/w)给出。如果满足公式t/w＞Happ1/(Hx)-1/x，则干扰磁场Happ1被衰减为比在磁存储元件的位置的磁场小得多的值H。
因而，为了充分地屏蔽每个存储元件，必须满足公式t/w＞Happ1/Ms-1/x和t/w＞Happ1/(Hx)-1/x。因而，最好是比值t/w尽可能大。
例如，如果满足公式t/w＞100/(1*x)-1/x，则在存储元件的位置的100kA/m的干扰磁场Happ1被衰减为1kA/m的小得多的磁场H。例如FeNi磁层具有相当大的磁化系数，例如1000。结果，屏蔽层的厚度对每个区域的尺寸的比大于0.1∶1。显然，当t/w的比值被选择得较小时，干扰磁场被衰减较小。因此，如果t/w＞0.01则是有利的。
最好是，屏蔽层的厚度比存储元件的厚度大得多，例如10倍，使得确保外部干扰磁场的磁力线的最大部分通过屏蔽层，而不通过存储元件。
屏蔽层的材料最好具有尽可能大的磁化系数，例如大于100。最好是，所述材料也具有高的磁饱和值，例如大于800kA/m。
磁区域影响存储器的读和写。为了读写磁存储元件，通过同时发出通过字线和位线的电流而产生本地磁场。屏蔽层的磁区域把本地磁场集中在磁存储元件中。通过相当大的电流的字线最好位于屏蔽层的区域和磁存储元件之间。结果，区域的磁材料减少用于读写磁存储器所需的电流的数量。
磁存储器可以和半导体IC集成在一起。所述IC可以包括具有半导体器件的硅衬底。半导体器件例如是二极管，双极晶体管或MOS晶体管。一般地说，磁存储器被提供在半导体器件上。所述半导体器件借助于金属轨迹和磁存储器相连。存储器能够和在硅衬底中的半导体器件构成的电子电路通信。电子电路的操作可能受到寄生电容的不利影响。和衬底组合的导电的磁材料的连续的屏蔽层产生相当大的寄生电容。所述相当大的寄生电容极大地限制了IC的速度。当屏蔽层被分成多个区域时，屏蔽层的总的寄生电容被大大减少，因而改善了电路在高频下例如Ghz范围内的操作。
一个附加的优点在于，屏蔽层的所述区域可以用这种方式排列在半导体IC的上方，使得在IC中的半导体器件被屏蔽而不受UV光和辐射的影响。
如果屏蔽层的区域位于IC的顶部，由于屏蔽层的屏蔽区域是不透明的，所述IC最好利用光学方法防止被视为相同的。此外，屏蔽区域的材料例如利用刻蚀方法除去是困难的，因而使得进行芯片的逆向工程困难得多。
按照本发明的磁存储器的这些和其它的方面由下面进行的实施例的说明可以清楚地看出。
在附图中：
图1示意地表示磁存储元件和屏蔽层的区域的实施例；
图2表示包括自旋阀和屏蔽区域的结构的磁存储元件；
图3表示包括磁隧道结阵列的磁存储器的一个实施例；以及
图4是和半导体IC集成在一起的磁存储器的实施例的示意的截面图。
图1所示的磁存储器1包括存储元件的阵列2。每个存储元件3包括至少一层磁材料4。
以其最基本的形式，存储元件3的操作基于磁材料中的各向异性的磁阻效应(AMR)。
当在磁导体中的电阻由电流和其磁化之间的角度确定时，则发生各向异性的磁阻效应(AMR)。如果电流和磁化的方向相同，则电阻最高；如果电流和磁化相互成直角，则电阻最低。其差一般为2％到4％。
当磁阻效应较大时，存储元件3能够较好地操作。
通过在非均匀的磁系统例如在磁和非磁金属层的层叠体中自旋相关的分散作用，可以实现巨磁阻效应(GMR)。如果各个磁层的磁化通过施加外部磁场沿一个方向转换，则发生一种具有一个特定的自旋方向的电子的短路。结果，如果磁化沿平行方向延伸，则电阻小于在磁化方向是反平行方向时的电阻。结果，在室温下，在多层中的电阻一般现象上减少到大约40-60％。但是，为切断自发的磁耦合所需的磁场是相当大的，一般为几百kA/m。
能够在小的磁场下工作的存储元件是自旋阀和磁隧道结。这些存储元件的特征在于，磁材料的第二层和第一层由非磁材料分开。
磁存储元件还可以由铁磁体和半导体混合构成。铁磁体的边缘效应的磁场足以在半导体中引起霍耳效应。霍耳电压可以是正的或负的，即分别代表0或1。
磁存储器的屏蔽层14被分成多个被隔开的区域5。区域5可以是任意的形状。屏蔽区域5最好位于离开磁存储元件3一个尽可能小的距离8的位置。通过在存储元件3的任一侧上提供屏蔽区域5可以实现更好的屏蔽效果。在有关的实施例中，屏蔽区域9的尺寸被这样确定，使得磁屏蔽区域5在存储元件上的垂直投影包括一个存储元件3。如果磁屏蔽区域5的材料是好的电绝缘体，例如在铁氧体的情况下，则屏蔽区域5可以被直接提供在存储元件3上。如果屏蔽区域5的材料是导电的，则最好在存储元件3和磁区域5之间提供例如由AlOx，SiO2或Si3N4制成的绝缘材料的薄层。为了在可能的范围屏蔽存储元件3，区域5的材料最好具有大的磁化率。例如使用NiFe，CoNbZr，FeSi，FeAISi可以达到1000的磁化率值。
区域5的厚度为10，其一般比磁存储元件11的厚度大得多，从而使磁区域5作为外部干扰磁场的一种短路。
在图2中，和图1相应的部分用相同的标号表示。图2表示包括自旋阀和屏蔽区域5的一种可能的结构的磁存储元件3。
在所示的实施例中，自旋阀3是一种3层的结构，其包括例如CoFe的第一硬磁层4，例如只需要小的磁场便能改变磁化的NiFe的第二较软的磁层6，和被夹在其间的例如Cu的非磁金属层7。每层的厚度一般为1至10nm。层的磁化方向可以这样设置，使得相互平行或反平行。在这个实施例中，字线18和位线16用于在选择的磁存储元件3中的第一层中写入磁化方向并用于从存储元件3中读出存储的磁化方向。字线18位于磁区域5和磁存储元件3之间。借助于通过字线18发送相当大的电流，同时通过位线16发送例如1mA的电流，使得第一相对硬的磁层的磁化被定向。使用一个电流脉冲序列读出1位，或者换句话说，确定第一层4的磁化方向，所述电流脉冲具有较小的幅值，其能够转换软磁层6，而不能转换第一硬磁层4。当正负电流脉冲通过字线18发送时，借助于通过位线16的检测电流，测量存储元件3的电阻。在这个处理中，本地磁场大于第二软磁层6的转换磁场，而小于硬磁层4的转换磁场。脉冲序列的第一个脉冲将软磁层6的磁化置于一个确定的开始位置。在第二个脉冲期间电阻改变的符号表示在硬磁层4中的信息是0或是1。对于存储的0，脉冲序列例如相应于磁化的反平行到平行的方向，此时电阻从高到低改变。在室温下，电阻差一般是4到18％。
在图3中，和图1，图2相同的部分用相同的标号表示。图3表示包括磁隧道结3的阵列2的磁存储器1的一个可能的实施例。在磁隧道结3中，例如CoFe的厚度为几纳米的两个铁磁层4，6被绝缘层7分开。绝缘层的厚度是1-2nm，例如由Al2O3制成。通过在其间包括金属氧化物7的磁层的夹层上施加一个小的电压，电子可以通过绝缘层7穿过。穿过的几率取决于两个磁层4，6的磁方向：如果两者的磁方向相互平行，则穿过的几率较大，在室温下，电阻差一般为20-40％。在图3所示的实施例中，屏蔽区域5在4个存储元件3的上方延伸。从存储元件3到屏蔽层14的距离小于区域9的尺寸。在磁屏蔽区域5中，必须不发生由磁场引起的磁化的饱和。
充分的屏蔽要求t/w＞Happ1/Ms-1/x和t/w＞(Happ1/H-1)x-1。在实际上，Happ1的值是80kA/m，对于NiFe，磁化的饱和值Ms＝800kA/m，x＝1000，在磁存储元件3的位置，磁场H＝0.8kA/m，达到了t/w＞0.1的值。
在图4中，和图1，图2，图3相应的部分用相同的标号表示。图4是和半导体IC12集成的存储器1的一个实施例的示意的截面图。硅衬底13包括半导体器件，例如二极管，双极晶体管，MOS器件，或者这些器件的组合。
磁存储器1被设置在半导体器件的上方，并通过金属轨迹15和所述半导体器件相连。半导体器件能够以电子方式转换磁存储元件3。在这个实施例中，MOS晶体管14和磁存储器1的位线16相连。第二MOS晶体管17选择磁存储器1的字线18。磁存储器1可以被制造在硅衬底13内或所述衬底上的电子电路控制。

Claims (11)

1.一种包括磁存储元件阵列(2)的存储器(1)，每个磁存储元件(3)包括至少一层磁材料(4)，所述存储器设置有屏蔽层(14)，用于屏蔽磁场，其特征在于，所述屏蔽层(14)被分成相互隔开的区域(5)。
2.如权利要求1所述的磁存储器(1)，其特征在于，每个存储元件(3)包括第二层磁材料(6)，其借助于非磁材料(7)和第一层磁材料(4)隔开。
3.如权利要求1所述的磁存储器(1)，其特征在于，区域(5)在所述存储元件(2)上的垂直投影包括至少一个存储元件(3)。
4.如权利要求1所述的磁存储器(1)，其特征在于，所述存储元件(3)位于离开屏蔽层(13)的一个小于区域(5)的尺寸(9)的一个距离(8)的位置。
5.如权利要求1所述的磁存储器(1)，其特征在于，所述区域的厚度(10)和每个区域(5)的尺寸(9)之间的比大于0.01∶1。
6.如权利要求5所述的磁存储器(1)，其特征在于，所述区域的厚度(10)和每个区域(5)的尺寸(9)之间的比大于0.1∶1。
7.如权利要求1所述的磁存储器(1)，其特征在于，所述区域(5)的厚度(10)超过磁存储元件(3)的厚度(11)。
8.如权利要求1所述的磁存储器(1)，其特征在于，所述区域(5)的材料具有大于100的磁化率。
9.如权利要求8所述的磁存储器(1)，其特征在于，所述区域(5)的材料具有大于800kA/m的磁饱和值。
10.如权利要求2所述的磁存储器(1)，其特征在于，字线(18)位于区域(5)和存储元件(3)之间。
11.如权利要求1所述的磁存储器(1)，其特征在于，磁存储器和半导体IC(12)集成在一起。
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