CN1571066A - 提供磁存储单元稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种提供存储单元[612]磁稳定性的方法。存储单元[612]通常位于靠近传导线[614]处，同时靠近于可以设置存储单元[612]磁性状态的写入机构。该方法包括接收一个从写入机构可获得的最大磁场强度的表示。可以生成存储单元[612]相对于传导线的期望位置，用于提供存储单元[612]的稳定性，同时仍然允许写入机构能够改变存储单元[612]的磁性状态。

Description

提供磁存储单元稳定性的方法

技术领域

本发明通常涉及电子存储器。更具体的说，本发明涉及一种提供磁存储单元稳定性的方法。

背景技术

非易失性存储器是这样一种存储器：即使关闭连接至存储器的电源，存储器中的内容仍能够保留。磁随机存取存储器(MRAM)就是一种非易失性存储器。MRAM包含存储一个逻辑状态，或位，通过在MRAM内部设置MRAM单元的磁场取向来实现。即使当MRAM单元的电源关闭，此磁场取向仍然能够保持。

图1显示了一个MRAM单元100。MRAM存储单元100包含软磁区域120，电介质区域130和硬磁区域110。在软磁区域120中的磁化取向是不固定的，可以呈现如箭头M1所示的两种稳定的取向。硬磁区域110(也被称作钉扎磁场区域)具有如箭头M2所示的固定磁性取向。电介质区域130通常在软磁区域120和硬磁区域110之间提供电绝缘。

MRAM存储单元通常位于靠近字线(WL)和位线(BL)的交叉点的位置。字线和位线可以用来设置存储单元的磁性状态，或者用来读出存储单元现有的磁性状态。图1还包含了一个最近的字线，这一字线也可以用来设置MRAM存储单元100的磁性状态。通过流经最近的字线的电流I可以感应生成一个如箭头150所示的磁场。该感应磁场可以设置MRAM存储单元100的磁性状态。

如前所述，软磁区域120的磁化取向可以呈现出两个稳定的取向。这两个取向，与硬磁区域110的磁化取向平行或者反平行，确定了MRAM存储单元100的逻辑状态。

MRAM存储单元的磁取向的设置(写入)可以通过控制流经字线和位线的电流来实现，因此，通过电流感应生成的相应磁场来实现。因为字线和位线结合起来工作以转换选定的存储单元的磁化取向(即，写入存储单元)，所以字线和位线可以一起被称作写入线。另外，写入线也可以用来读取存储单元中保存的逻辑值。根据流经位线和字线的电流方向，以及由此通过流经位线和字线的电流产生的感应磁场的方向，施加于位线和字线的电流就设置了软磁层中的磁化取向。

MRAM存储单元通过感测跨越MRAM存储单元的电阻来读出。该电阻通过字线和位线来感测。通常，磁存储单元的逻辑状态(例如，“0”或“1”)取决于数据层和参考层的相关磁化取向。例如，在一个隧道效应磁阻存储单元中(隧道结存储单元)，当有电偏压施加于数据层和参考层时，电子就会通过中间层(薄电介质层通常称为隧道阻挡层)在数据层和参考层之间迁移。引起电子通过阻挡层迁移的现象被称为量子力学隧穿或自旋隧穿。逻辑状态可以通过测量存储单元的电阻来确定。例如，如果磁存储单元的数据存储层的总体磁化取向与参考层的钉扎磁化取向平行，磁存储单元会处在低阻状态；相反的，如果隧道结存储单元的数据存储层的总体磁化取向与参考层的钉扎磁化取向反平行，隧道结存储单元就会处于高阻状态。如前所述，在磁存储单元中保存的位的逻辑状态是通过施加改变数据层的总体磁化取向的外部磁场来写入的。外部磁场可以被称作转换场，将磁存储单元在高阻和低阻状态间转换。

数据层的磁稳定性十分重要。即，一旦数据层的状态被外加磁场所设定，就希望数据层的磁性状态保持一致，直到再次施加外部磁场。

许多因素会影响MRAM存储单元的稳定性。例如，某些形状的存储单元比其它形状的存储单元更稳定。另外，最靠近存储单元的传导线也会影响存储单元的稳定性。

尽管保持MRAM存储单元的稳定性很重要，写入线和位线能改变MRAM存储单元的逻辑状态也是重要的。即，稳定性不能过强以致于外加的写入磁场无法成功地写入MRAM存储单元。

图2示出了MRAM存储单元阵列210。每一个MRAM存储单元的逻辑状态可以通过经由位线(BL)和字线(WL)外部施加磁场来磁化设定。通常，位线和字线的选择通过行译码器220和列译码器230实现。存储单元的逻辑状态由读出放大器240确定。

期望每一个MRAM存储单元的稳定性要基本一致。更确切的说，期望需用来写入每个存储单元的磁场强度(更准确地，需用来改变每个存储单元的磁性状态的磁场)从一个存储单元到另一个存储单元之间是一致的。

期望有一种方法和设备，其能提供期望的相对于传导线的存储单元的位置，提供期望的存储单元形状，并保证存储单元的稳定性。另外还期望这种方法和设备能提供存储单元的位置和形状，使得存储单元的写入磁场能始终一致地改变存储单元的逻辑状态。

发明内容

本发明包含一种方法和设备，用于提供期望的相对于传导线的存储单元位置，提供期望的存储单元形状，以保证存储单元的稳定性。这种方法和设备能提供存储单元位置和存储单元形状，使得存储单元的写入磁场能始终一致地改变存储单元的逻辑状态。

本发明的实施例包括提供存储单元磁稳定性的方法。存储单元通常处于靠近传导线处，并靠近能够设定存储单元磁性状态的写入机构的位置。这种方法包括接收可从写入机构获取的最大磁场强度的表示。可以生成期望的与传导线相关的存储单元的位置，用来提供存储单元的稳定性，同时仍然允许写入机构可以改变存储单元的磁性状态。

通过结合附图，举例说明本发明的原理，本发明的其它方面和优点将在接下来的详细描述中更加清晰。

附图说明

图1显示了一种现有技术的MRAM存储单元。

图2显示了一个MRAM存储单元阵列。

图3显示了使特定形状的MRAM存储单元改变状态所要求外部施加的磁场强度的曲线。

图4显示了具有不同磁稳定性等级的MRAM存储单元的可能形状。

图5显示了外加磁场强度曲线，该外加磁场强度用于使具有如图4所示形状的MRAM存储单元改变状态。

图6显示了位于靠近不同形状的u型传导线处的存储单元。

图7显示了外加磁场强度曲线，该外加磁场强度用于使处于靠近如图6中所示传导线处的MRAM存储单元改变状态。

图8显示了位于距u型传导线不同距离处的存储单元。

图9显示了外加磁场强度曲线，该外加磁场强度用于使位于距如图8中所示传导线不同距离处的MRAM存储单元改变状态。

图10是根据本发明实施例的提供存储单元稳定性的方法的流程图。

具体实施方式

正如用于说明目的的附图所示，本发明具体表现为一种提供存储单元稳定性的设备和方法，该存储单元位于靠近于能够设定存储单元磁性状态的写入线的位置。

附图3显示了外加磁场强度曲线，该外加磁场强度用于使具有特定形状的MRAM存储单元改变状态。第一坐标轴是Hx坐标轴，第二坐标轴是Hy坐标轴。一个磁存储单元通常可以通过X轴和Y轴来物理表示。正如接下来要讨论的，通常，被描述的MRAM存储单元的X轴与MRAM存储单元最长截面尺寸相对应。通常地，MRAM存储单元最长截面尺寸与该MRAM存储单元最稳定的磁取向相对应。因此，MRAM存储单元的X轴通常就是该MRAM存储单元最稳定的磁取向。结果是，MRAM存储单元的两个稳定磁取向通常包括由该存储单元的X轴所定义的两个磁取向。

附图3显示了外加磁场强度曲线，该外加磁场强度用来“翻转”或改变磁存储单元的磁取向。例如，附图3曲线中的第一象限305显示了对于所加的Hx磁场的不同值使MRAM存储单元改变磁性状态所需要的Hy磁场。第一个转换点310表明，对于Hy磁场强度的第一级Hyl，改变存储单元的磁性状态所要求的Hx磁场强度的第一级Hx1；第二个转换点320表明，对于Hy磁场强度的第二级Hy2，改变存储单元的磁性状态所要求的Hx磁场强度的第二级Hx2。第二个转换点320所需要的磁场强度Hx2大于第一个转换点310所需要的磁场强度Hx1。

通常，MRAM存储单元越稳定，使MRAM存储单元状态发生改变所需要的磁场强度就越大。当施加Hy磁场强度Hy2时，附图3所对应的MRAM存储单元更为稳定，因为需要更大的Hx磁场强度来改变MRAM存储单元的状态。

附图3所示的磁场强度转换曲线的形状通常对应于椭圆形的MRAM存储单元形状。其它存储单元形状及其磁稳定性也将被进行描述。

附图4显示了具有不同磁稳定性等级的存储单元的可能形状。取向指示符405描述了各种MRAM存储单元形状的相关X轴和Y轴取向。通常，X轴与存储单元最长截面尺寸相对应。每一个存储单元的X轴通常对应着该存储单元最稳定的磁取向。

第一种存储单元形状410包括了很大数量的、存在于该存储单元410的每个末端的存储单元。该存储单元X轴的尺寸基本上大于该存储单元Y轴的尺寸。在附图4所示的所有存储单元形状中，存储单元形状410通常是最稳定的。

第二种存储单元形状420包含了一个椭圆形。与第一种存储单元形状410相同，该存储单元X轴的尺寸基本上大于该存储单元Y轴的尺寸。第二种存储单元形状420在每个末端包括的存储材料比第一种存储单元形状410的少。第二种存储单元形状420通常被认为是非常稳定的，但是比第一种存储单元形状410的稳定性差。

第三种存储单元形状430包括了一个矩形形状。与第一种存储单元形状410相同，该存储单元X轴的尺寸基本上大于该存储单元Y轴的尺寸。第三种存储单元形状430在每个末端包括的存储材料比第一种存储单元形状410的少。第三种存储单元形状430通常被认为是非常稳定的，但是比第一种存储单元形状410或是比第二种存储单元形状420的稳定性差。

第四种存储单元形状440包括了一个圆形。与其它存储单元形状410、420、430不同，该存储单元形状的Y轴的尺寸与X轴尺寸基本相同。第四种存储单元形状的磁取向是非常不稳定的。这种存储单元形状是不期望的，因为存储单元会非常容易地改变磁方向。

正如前面提到的，可重复地制造这种存储单元的能力是非常重要的。正如所述，存储单元的形状会影响存储单元的磁场稳定性。在存储单元阵列内，期望每一个存储单元的磁转换特性都近似相同。这是因为，存储单元被配置成要应尽可能的稳定，同时还要允许可获得的最大磁场强度能够翻转存储单元的磁性状态。最大可获得的磁场强度应该能够转换每一个存储单元的状态，同时每一个存储单元还要配置成尽可能的稳定。第二种存储单元形状420通常比第一种存储单元形状410或第三种存储单元形状430更容易进行可重复地制造。因此，在某些情况下，考虑到操作的一致性，第二种存储单元形状420可能会是优选的。

附图5显示了外加磁场强度曲线，该所需的外加磁场强度使具有不同存储单元形状的MRAM存储单元改变形状。

第一条曲线510表示的是一个椭圆形的存储单元的磁转换曲线，该存储单元的Y轴尺寸为.18um，X轴尺寸为.36um。第二条曲线520表示的是一个椭圆形的存储单元的磁转换曲线，该存储单元的Y轴尺寸为.18um，X轴尺寸为.27um。第三条曲线530表示的是一个矩形存储单元的磁转换曲线，该存储单元的Y轴尺寸为.18um，X轴尺寸为.36um。第四条曲线540表示的是一个矩形存储单元的磁转换曲线，该存储单元的Y轴尺寸为.18um，X轴尺寸为.27um。

使磁存储单元状态转换所需要的磁场强度可以通过电脑辅助仿真和Landau-Lifschitz方程来确定。更准确的说，就是解方程：

$\frac{d\stackrel{\‾}{M}\left(r\right)}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{\γ}\stackrel{\‾}{M}\left(r\right)X\stackrel{\‾}{\mathrm{Heff}}-\frac{\mathrm{\λ}}{\left|M\right|}\stackrel{\‾}{M}X\left(\stackrel{\‾}{M}\left(r\right)X\stackrel{\‾}{\mathrm{Heff}}\left(r\right)\right)$

其中，M是磁化矢量，Heff是包含了各向异性项和噪声项的有效磁场，t是时间，r代表三维空间坐标，λ是阻尼参数，γ是旋磁常数。

磁存储单元对于不同写入电流和工作条件的响应通过计算机仿真模拟得到，其中解Landau-Lifschitz方程用到了离散三维几何和迭代算法。检测层、参考层、包层和导体的精确几何形状以及材料特性(例如，晶体的各向异性，饱和磁化和交换常数)和热噪声都包括在内。

附图5的仿真模拟条件包括由NiFe形成的检测层，由铜形成的导体，和由NiFe形成的包层。存储单元和导体之间的间距被假定为0.1um。参考层被假定为IrMn钉扎NiFe层。

这些曲线清楚地显示了增大存储单元形状的X轴尺寸会增加该存储单元的磁稳定性。另外，这些曲线显示，对于Hx的较低级，具有X轴尺寸为.36um的椭圆形存储单元通常是最稳定的形状。

电脑仿真可以通过确定提供最大稳定性的存储单元形状，同时还能确保当施加最大可获得的写入磁场强度给存储单元时能够改变存储单元的状态，来提供最佳的存储单元形状。

附图6显示了位于靠近不同形状的传导线614，624，634处的存储单元612，622，632。附图6中的传导线614，624，634分别包含了一个与存储单元612，622，632相互作用的u型的包层610，620，630。不同形状的传导线614，624，634利用单元612，622，632的u型开口，为存储单元612，622，632提供了不同程度的重叠。

这一u型命名使用地不是十分严谨。更确切的说，除了侧端面，或是最靠近存储单元612，622，632的侧端面以外，传导线在所有侧面都包括包层。传导线614，624，634实际上是矩形形状的。

不同程度的重叠在存储单元612，622，632和u型的包层610，620，630之间提供了不同级别的耦接。该重叠定义了相对于传导线宽度W2，存储单元的宽度W1的大小。重叠量可以用来对存储单元612，622，632的稳定性提供附加的控制。

包层610，620，630典型是铁磁材料，可以是NiFe。作为对通过传导线614，624，634导电的外加写入电流的响应，传导线614，624，634可以生成写入磁场。写入磁场基本上限制在铁磁包层中。本质上，铁磁包层在传导线614，624，634周围提供一个封闭的磁路(闭合的磁通量)。通过在导体中流过预定幅度和方向的写入电流，可以产生由此引起的写入磁场，该磁场足够强以致可以在存储单元的软铁磁检测层中沿已知方向建立磁化取向。铁磁包层基本上削弱了能够干扰或破坏存储在邻近存储单元的铁磁数据层中的数据的散射场。铁磁包层通常包括特定的厚度，该厚度被设计成确保写入磁场基本上限制在包层中。

包层提供两个功能。首先，包层提供了由流过传导线的写入电流所引起的写入磁场的集中。因此，需要用来改变存储单元的磁取向的电流幅度小于没有包层的情况下的电流幅度。第二，包层提供了存储单元的附加稳定性。更确切的说，包层的存在减小了那些靠近包层的存储单元不期望地改变状态的可能性。

对于附图6传导线的实施例，包层610，620，630的形状的特征在于包层开口的尺寸(在附图6中标注为W2)与存储单元X轴(在附图6中标注为W1)的比率(W2/W1)。第一个实施例605包括了W2基本上与W1相等。第二个实施例615包括了W2小于W1。第三个实施例625包括了W2大于W1。

附图7显示了外加磁场强度曲线，需要该外加磁场强度用于使处于靠近于传导线处的MRAM存储单元，以及包括与传导线不同程度的重叠。该曲线显示了对于不同的W2/W1比率，引起存储单元转换状态所需要的磁场的变化。

第一条曲线710描述了通过传导线引起的磁场，第二条曲线720描述了引起存储单元改变磁性状态所需要的磁场。最佳的W2/W1比率在约.75-1.0之间。在该比率上，710和720两条曲线大致相等。然而，更重要的是，产生710的磁场比引起存储单元改变磁性状态所需要的磁场720大。如果传导线和存储单元的物理特性发生变化，该最佳比率也会改变。

再者，如附图7中所示的，引起磁存储单元转换状态所需要的磁场强度可以通过计算机辅助模拟仿真和上述的Landau-Lifschitz方程确定。

应该理解，存储单元的重叠和存储单元的形状两者是非常相互依赖的。例如，在存储单元与包层之间具有大量重叠的正方形存储单元是非常稳定的。重叠的增加有效地提供了与矩形存储单元纵横比的增加相同的结果。本质上，存储单元重叠的表面积越大，存储单元的稳定性越高。

附图8显示了位于距u型传导线不同距离处的存储单元。第一个存储单元810位于与包含包层814的第一个写入线812的距离为第一距离D1处。第二个存储单元820位于与包含包层824的第二个写入线822的距离为第二距离D2处。

通常，MRAM存储单元距离有包层的写入线越近，存储单元与写入线之间的耦接越好。因此，控制存储单元与有包层的写入线之间的距离也可以被用来控制存储单元的稳定性。在附图8中，D1大于D2。因此，第一个存储单元810通常比第二个存储单元820的稳定性差。

附图9显示了外加磁场强度曲线，需要该外加磁场强度用于使位于距离如附图8中所示的传导线不同距离处的MRAM存储单元改变状态。

再者，图8中引起磁存储单元转换状态所需要的磁场强度可以通过计算机辅助模拟仿真和上述的Landau-Lifschitz方程确定。

当存储单元与有包层的写入线之间的距离减小时，写入线的铁磁包层与存储单元的数据薄膜之间的耦接效应提高。当该距离为0时(即，存储单元和写入线彼此物理接触)，存储单元与写入线之间的耦接效应最大。该耦接效应是由于存储单元与写入线之间的交换相互作用以及存储单元与写入线之间的静磁相互作用引起的。交换相互作用是由存储单元与容纳有邻近自旋的写入线之间的短程自旋相互作用所引起的。静磁相互作用或退磁相互作用是一种存在于磁体之间的相互作用。

存储单元与传导写入线之间的耦接效应有效地提高了存储单元的纵横比(长/宽)。更确切的说，由于耦接效应，存储单元趋向于更加稳定。如果耦接效应太强，存储单元会变得过于稳定，使得由于对可获得的用来改变存储单元状态的磁场强度方面的限制，而无法转换存储单元的磁性状态。

如果存储单元与传导写入线之间的距离大于0，那么存储单元与写入线的包层之间的交换相互作用就被消除了，剩下的都是静磁相互作用。

当存储单元与传导写入线包层之间的距离增大时，存储单元与包层之间的耦接效应下降。因此，存储单元的稳定性变差。

第一条曲线910描述了由传导线引起的磁场，第二条曲线920描述了引起存储单元改变磁性状态所需要的磁场。对该实施例，最佳的距离为50nm-200nm的间距。在该间距范围内，由传导线所引起的写入磁场与改变存储单元状态所需要的写入磁场近似相等。

存储单元的形状、重叠量以及存储单元与写入机构之间的距离都可以在实践中被用来在存储单元的稳定性与生成写入磁场的能力之间进行折衷。

附图10是根据本发明本实施例的一种提供存储单元稳定性的方法的流程图。该实施例包括一种提供存储单元的磁稳定性的方法。存储单元可以位于靠近于写入线处，而该写入线可以设置该存储单元的磁性状态。

第一步1010包括接收一个从写入机构可获得的最大磁场强度表示。可获得的最大磁场强度会由于对可以通过位线和字线的电流量的限制而受到限制。由字线和位线产生的热量会限制流经字线和位线的电流。另外，电流还会受到电迁移的限制。该表示可表现为多种不同形式。例如，写入机构可以是传导线。传导线的制造可以要求传导线具有优选尺寸。传导线的尺寸会限制通过传导线的电流量，从而限制可获得的最大磁场强度。由传导线消耗的功率量也会限制流经传导线的电流。

第二步1020包括生成一个期望的存储单元相对于传导线的位置，用以提供存储单元的稳定性，同时仍然允许写入机构能够改变存储单元的磁性状态。

生成一个期望的存储单元相对于传导线的位置可包括，确定存储单元与传导线之间的期望距离。另外，生成一个期望的存储单元相对于传导线的位置还包括，确定存储单元与写入线之间的期望重叠。

提供存储单元磁稳定性的方法可进一步包括确定期望的存储单元形状。期望的形状会受到该形状所提供的稳定性以及该形状制作可重复性的影响。

写入机构通常包括一对写入线。除了一个侧面之外，在写入线的其它各个侧面都有包层。通常，没有包层的一侧取向存储单元的方向。期望的磁包层材料包括NiFe。通常，磁包层包括软铁磁材料。

具有包层的传导线可以在衬底上形成。电介质可以形成在衬底中形成的槽内。电介质可以通过化学机械工艺来平面化。可以在淀积将要形成为包层一部分的高磁导率的软磁材料之前，在电介质中形成槽。包层的一部分可以用各向同性工艺沉积而成，这可以使得槽的侧壁被涂覆至与槽的底部近似相等的厚度。用于制作包层的材料是一种软磁材料。更确切的说，它具有足够的透过性以便能起到磁心的作用并且在其整个横断面是连续的，没有任何中断和太多的空隙。另一个槽是由各向同性淀积包层而形成的。使用电镀或其它合适的淀积工艺来用例如铜的导电材料填充该槽以形成传导线。可以使用化学机械抛光工艺来平面化该整个结构。

尽管本发明的具体实施例已经被描述并加以举例说明，但是本发明并不局限于所描述和举例说明的具体形式或部件布置。本发明只由所附的权利要求书限制。

Claims (10)

1.一种提供存储单元[612]磁稳定性的方法，存储单元[612]位于靠近传导线[614]处同时靠近于可以设置存储单元[612]的磁性状态的写入机构，该方法包括：

接收可从写入机构获得的最大磁场强度的表示；

生成存储单元[612]相对于传导线[614]的期望位置，用以提供存储单元[612]的稳定性，同时仍然允许写入机构能够改变存储单元[612]的磁性状态。

2.如权利要求1所述提供存储单元磁稳定性的方法，其中写入机构为写入线。

3.如权利要求2所述提供存储单元磁稳定性的方法，其中写入线是被包覆的[610]。

4.如权利要求3所述提供存储单元磁稳定性的方法，其中被包覆的写入线是u形的。

5.如权利要求3所述提供存储单元磁稳定性的方法，其中写入线除了一个未被包覆的侧面之外，在其它的各个侧面都被包覆，而未被包覆的一侧取向在存储单元[612]的方向。

6.如权利要求1所述提供存储单元磁稳定性的方法，其中第一传导线为写入线。

7.如权利要求1所述提供存储单元磁稳定性的方法，其中传导线不是写入线。

8.如权利要求2所述提供存储单元磁稳定性的方法，其中生成存储单元相对于传导线的期望位置包括：确定存储单元[612]与写入线之间的期望的距离。

9.如权利要求2所述提供存储单元磁稳定性的方法，其中生成存储单元[612]相对于写入线的期望位置包括：确定在存储单元[612]与写入线[614]之间的期望的重叠。

10.如权利要求1所述提供存储单元磁稳定性的方法，进一步包括：确定存储单元[612]的期望的形状。

Images