CN1689108A - 可编程磁性存储器器件fp－mram - Google Patents

可编程磁性存储器器件fp－mram Download PDF

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Abstract

一种存储器器件具有一个信息平面(32)，所述信息平面用于以电磁材料的磁状态将数据存储在比特位置阵列(31)。所述器件另外还具有一个电磁传感器元件阵列(51)，所述阵列与比特位置对齐，所述信息平面(32)是可编程的或者可通过独立的磁性写入器件(21)来编程。特别地描述了一种用于只读磁性存储器的只读传感器元件(60)。

Description

可编程磁性存储器器件FP-MRAM
本发明涉及一种存储器器件，所述器件包括一个信息平面和一个电磁传感器元件阵列，所述信息平面包括一种构成一个比特位置阵列的电磁材料，在一个比特位置处所述材料的磁状态表示其值，所述电磁传感器元件与比特位置对齐。
本发明还涉及一种用于对存储器器件编程的写入器件。
本发明还涉及一种制造存储器器件的方法。
从文章“‘A 256kb 3.0v ITIMTJ Nonvolatile MagnetoresistiveRAM’，Prter K.Naji等人，出版用于the 2001 IEEE InternationalSolid-State Circuits Conference(2001 IEEE国际固态电路会议)0-7803-76608-5，ISSCC2001/Session7/Technology directions：Advanced Technologies/7.6”可以了解到一种磁性随机存取存储器(MRAM)。所述MRAM器件具有一个用于信息存储的自由磁性层。在所述器件中容纳有一个比特单元阵列，在自由磁性层上所述比特单元阵列具有一个电传感器元件和比特位置。自由磁性层的材料的磁状态表示该比特位置的值。
在读取模式下，传感器元件设置为用于检测磁状态，特别是经由隧道磁阻效应(TMR)来检测。电流经由一隧道屏障而被引导，其中隧道或然率受到磁状态的影响，会导致传感器元件的电阻的改变。在编程(写入)模式下，通过一编程电路引导强编程电流，并依靠编程电流使磁场足够强，从而能将各个比特位置的磁状态设置为一个预定值。应注意到，这样的MRAM是一种非易失性类型，即无论所述器件带有或不带有操作电压，比特位置的值都不改变。因此，所述MRAM适合作为在供电之后不久就需要其有效的器件。所述已知器件的一个问题是比特位置的值必须通过给每个独立的比特单元施加编程电流来编程。
因此，本发明的一个目的是提供一种存储系统，该系统具有编程比特位置的值的有效方式。
根据本发明的第一方面，所述目的是通过如在开头段落中定义的一种存储器件来实现的，其特征在于所述信息平面是可编程的或者经由一个单独的磁性写入器件来编程。
根据本发明的第二方面，所述目的是通过如在开头段落中定义的一种写入器件来实现的，其特征在于所述写入器件包括一个用于与存储器器件的信息平面相配合的编程表面，及用于在编程表面产生磁场以磁化比特位置处的电磁材料的装置。
根据本发明的第三方面，所述目的是通过如在开头段落中定义的制造存储器器件的方法来实现的，其特征在于所述方法包括一个在封装所述器件之前根据预定数据来磁化比特位置处的电磁材料的步骤。
使用外部写入器件对比特位置处的磁状态进行编程的效果在于，该器件的内容对于用户立即可用。该存储器件也可以用于发布制造期间编程的软件内容。这样就具有可以立即存取数据的优点。此外，可以保护相似存储器件中的内容不能复制，因为用户不可以存取写入器件。
本发明也是以下述认识为基础的。公知的磁性存储器件是一种固态器件，其包含位于比特单元中的磁性材料，所述比特单元被设置为磁状态以存储数据比特。使分离的材料片处于特定的相对于衬底(所谓芯片(die))顶面(或底面)的深度级，所述器件是形成在衬底上的。本发明发明人已经领会到可将材料的结合片视为构成单个信息平面。在公知的固态器件中，信息平面是不可存取的，且编程有必要必须通过比特单元传感器元件自身来进行。通过提供对信息平面的存取，可以通过一个来自于写入器件的外部磁场将比特位置处的材料设置为定义的磁状态。写入器件的编程表面上的一个电磁元件能产生一个跨越工作距离的场，实际上其幅度量级与比特位置的最小尺寸相同。需要进行对准以在工作距离内使写入器件的交界表面与比特位置相对且接近。例如在制造芯片(当构成信息平面的材料还没有被覆盖时)或在抛光(finish)芯片之后与在将其封装在壳体中之前进行外部写入。另一选择为，可以通过一个允许在写入器件和信息平面之间紧密接触的用于器件的特殊壳体来进行外部写入。
在所述器件的一种实施方式中，电磁传感器元件包括对于电磁材料的所述磁状态敏感的但是不能改变所述磁状态的只读传感器元件。这样具有用户不能偶然地或故意地改变所述器件的内容的优点。另外这样的器件更为便宜和/或具有更高的位密度，因为能省去需要相对较大电流的写入电路和位于传感器元件中的写入部件。另外，用于编程的磁场的幅度不受穿过薄的片内金属线的最大电流的限制；这样就允许使用更为稳定的磁性材料和元件。例如这意味着这样的存储器器件能在具有强外磁场的环境中使用。
应注意到，在US6324093中，基于MRAM中的有意烧结(burning)的某些旋转隧道结描述了仅写入一次的薄膜存储器。对结的烧结没有提供编程存储器器件的有效方式，并且根本不允许重新编程。
在从属权利要求中给出了根据本发明的器件的其它优选实施方式。
参照下述说明中通过例子描述的实施方式并参照附图，本发明的这些和其它方面变得很明显，并以此对其进行进一步的解释，其中：
图1a示出了一个被编程的存储器件；
图1b示出了一个具有交界表面的可编程存储器件；
图1c示出了一个具有保护层的可编程存储器件；
图2示出了一种用于对存储器件编程的写入器件；
图3示出了一个存储器件(俯视图)；
图4示出了一个封装的存储器件；
图5示出了一个传感器元件阵列；
图6示出了一个只读传感器元件的细节；及
图7示出了写入模式下的读出/写入元件。
在附图中，与已经描述的元件相应的元件具有相同的附图标记。
图1a示出了一个被编程的存储器件。所述器件具有一个包含有一个存储器器件12的壳体11。存储器器件12具有一个用于在相应的比特位置阵列中存储数据比特的比特单元阵列。电磁材料在该比特位置处。比特位置处的所述材料的磁状态表示其逻辑值。比特位置阵列组成一个信息平面14。每个比特单元具有一个对相应比特位置处的所述材料操作的电磁传感器元件，例如，下述图6的只读单元或下述图7的读写单元。通过公知的半导体制造技术在一个衬底材料上制造传感器元件和另外的电路，该衬底材料形成了所谓的芯片，如MRAM芯片。所述芯片设置有连接到引线13的电接头，该接头提供耦接到壳体外部的任意电路。通过比特单元中的材料的磁化状态来表示信息比特，例如类似于通常MRAM的旋转隧道结中的自由层。这样使得能够制造完全兼容于MRAM的工厂制造的可编程只读存储器。
通过施加外部磁场，例如在IC制造的末尾，已经对存储器进行了编程。在将存储器器件12封装在壳体11中之前经由一个单独的磁性写入器件对信息平面14编程。此外将芯片(在其制造的中间状态)定位在单独磁性写入器件的编程接口上。该编程接口具有一个场发生器阵列，所述场发生器能在信息平面中的每个比特位置产生一个特定的磁场。该磁场足够强从而能将比特位置处的材料的磁状态设置为一特定值。所述定位过程包括对准磁场发生器以便与存储器器件的比特单元相对。在编程步骤的一个实施方式中，在制造期间，通过从存储器器件的比特单元中读出一个信号，例如通过相对于要被编程的数据验证信号来控制所述定位过程。
图1b示出了一个具有交界表面的可编程存储器件。所述器件具有一个包含一个存储器器件12的壳体11，该壳体通常与图1a所述的壳体相当。在图1b所示的实施方式中，壳体11设置有用于接纳外部编程器件的开口16。所述开口具有精确成形的侧壁15，其充当用于将编程器件的编程表面定位在信息平面14上并且实现将编程表面中的比特位置与场发生器一对一对准的的机械对准结构。所述信息平面暴露到外界。在一个实施方式中，信息平面被一个保护层或一个当不需编程时填充开口16的可去除覆盖部分(未示出)覆盖。
图1c示出了一个具有一个保护盖的可编程存储器件。所述器件具有一个包含一个存储器器件12的壳体11，且通常与图1a所述的壳体相当。在图1c所示的实施方式中，壳体11设置有一个固定的保护盖17，用于防止经由磁场对比特位置处的所述磁状态进行任何编程或改变。在一个实施方式中，保护盖17设置有一个用于有效遮蔽信息平面的磁遮蔽材料。应注意到，在初始封装期间可在适当位置放置所述保护盖，当然是在如参照图1a所述对盖器件编程之后放置。另一选择为，使用图1b所示的具有一个开口的壳体，并且后来封住所述开口，例如在已经将所述器件安装在印刷电路板和已经由设备制造商对其编程之后进行。
图2示出了一种用于对存储器件编程的写入器件。编程单元21具有一个用于与存储器器件的信息平面相配合的编程表面22。所述编程单元可单独放置或可以与编程系统25耦接，例如，与一个运行适当编程软件的计算机耦接。在编程表面22之后紧挨着放置磁场发生器阵列。每个场发生器26在编程表面产生一个磁场，所述磁场用于将与所述发生器相对的相应比特位置处的电磁材料磁化。编程表面22被定位在具有精确成形壁24的突出部分上，所述壁充当用于将编程表面22定位在要被编程的器件的信息平面14上的机械对准结构。要求所述对准在编程表面中实现比特位置与场发生器元件的一对一对准。在一个实施方式中，编程单元具有用于与存储器器件中的精确成形的孔相配合的定位销23。
应注意到，可以容易地设计各种其它定位装置，例如使用一些小的用于相对于编程表面移动存储器器件直到已经实现了最佳对准的致动器来进行有效对准。在一个实施方式中，通过提供电子装置识别存储器器件相对于写入器的位置来检测未对准。这通过模式识别和与已知的模式相匹配来实现。在一个实施方式中，对准是这样被测量的：通过一个从存储器器件中的传感器元件取得的信号，或通过一个位于阵列外部的特定传感器元件，所述元件适合于检测在一预定位置上的由编程器件产生的磁场相对于编程表面的对准。另一选择为，在存储器器件上提供光学标记，并通过写入器件中的光学传感器检测盖光学标记。
编程器件的其它实施例如下所述。写入器件包含多个用于在单个编程步骤中对芯片的晶圆(wafer)编程的编程表面。所述编程器件可以具有一个与特定设计的磁性屏蔽，即与应被写入的比特位置相关的孔模式相结合的磁场源。特别地，应该以相对的磁场(例如首先写入所有为0，然后所有为1)相继使用两个不同的屏蔽。在第一步骤中，能通过强均匀磁场重新设置所有的比特位置(例如所有的写为0)，而接下来仅翻转特定位置的期望设置为1的比特。在另一个实施方式中，能施加均匀的磁场，其在室温下不足以强以便翻转比特；然后对要被写入的比特进行局部加热，例如通过穿过或接近该比特的短电流脉冲，或者通过经由一个掩模暴露给一个热源来加热。在第一步骤中，写入了0，然后以相反的磁场方向重复该过程写入1。另一选择为，首先通过一个强场编程所有比特，而后编程特定的比特。
在磁性写入器件的一个实施方式中，场发生器由一个磁头(或一个磁性写入头阵列)和一个用于扫描编程表面的扫描单元构成。经由磁头(多个磁头)按顺序在比特位置编程数据。这样的编程器件适合于编程数量有限的比特位置，例如将序列号或唯一的密钥写入到存储器器件中。
另外编程设备可以由小的用作编程存储器的“磁性印戳”的永磁体或取代永磁体的电磁体阵列构成。在磁性写入器件的一个实施方式中，场发生器由具有依据要被编程的数据的磁状态的永久磁性材料构成。
图3示出了一个存储器件(俯视图)。存储器器件30由一个包含电路的芯片和一个比特单元阵列31构成。有意使器件30与上述写入器件进行合作。此外所述器件具有容纳阵列31的交界表面32。所述阵列是包括磁性材料的电磁传感器单元的二维布局，其构成了信息平面。另外，所述芯片设置有用于连接到外界的焊盘33，例如，通过导线和引线。
图4示出了一个封装的存储器件。存储器器件30封装在壳体41中。设置外引线以将所述器件连接到印刷电路板上的电路上。经由导线将外引线42连接到存储器器件30的焊盘上(示出为虚线)。存储器件具有一个暴露存储器器件30的交界表面32的开口，用于与上述编程器件相配合。另外，壳体具有用于与编程器件的引导销配合的精确成形孔44。
图5示出了一个传感器元件阵列。所述阵列具有以规则行模式排列的传感器元件51。一行的元件通过共用位线53耦接，而列中的元件共用字线52。示出的每个传感器元件具有一个多层栈(stack)。传感器元件54示出为在多层栈的多个层中具有相对的磁状态，用于表示当测量具有逻辑值0的位置时的结构。传感器元件55示出为在多层栈的多个层中具有相同的磁状态，用于表示当测量具有逻辑值1的位置时的结构。通过使用磁阻效应，例如GMR、AMR或TMR来检测具有多层或单层栈的传感器元件中的方向。由于电阻匹配传感器元件的原因，TMR型传感器是优选的。尽管给出的例子使用具有平面内敏感度的磁阻元件，然而也能使用对于垂直场敏感的元件。对于使用这些效应的传感器的描述，参考K.-M.H.Lenssen著的“Magnetoresistive sensorsand memory”，其位于ISBN 1-4020-0560-1(HB)或者1-4020-0561-x(PB)的“Frontiers of Multifunctional Nanosystems”的第431-452页中。
在阵列中，传感器元件可以是图6所述的用于构成只读存储器的只读元件。这具有不需要用于产生写电流的电路的优点。另一选择为，传感器元件可以是读写元件，如图7所述的MRAM元件。这具有用户后来可以改变比特位置的值的优点。在一个实施方式中，所述阵列是只读和读写元件的组合体。这具有不会偶然改变存储器中的特定数据的优点。
在只读型传感器元件中，通过依赖于在多层栈中检测到的磁阻(MR)现象的电阻量测来进行读出。传感器元件能以薄膜中的各向异性的磁阻(AMR)效应为基础。由于薄膜中AMR效应的幅度一般小于3％，使用AMR需要敏感的电子器件。更大的巨磁阻效应(GMR)具有更大的MR效应(5％到15％)，因此有较高的输出信号。磁性隧道结使用大的隧道磁阻(TMR)效应，并且已经示出了电阻变化可达到≈50％的电阻变化。由于TMR效应对偏置电压的强依赖性，目前在实际应用中可用的电阻变化为大约35％。通常，如果多层栈中的磁化方向是平行，那么GMR和TMR都将导致低电阻，当反向平行地进行磁化时，则导致高电阻。在TMR多层结构中必须将感测电流垂直施加到层平面上(CPP)，因为电子必须隧穿屏障层；在GMR器件中，感测电流通常流进层的平面中(CIP)，尽管CPP配置可以提供较大的MR效应，但是垂直于这些全金属多层平面的电阻是很小的。不过，通过进一步小型化，基于CPP和GMR的传感器是可能的。
图6示出了一个只读传感器元件的细节。只读传感器元件(60)是能读取但是不能改变比特单元的值的只读类型。所述元件具有可导电材料的位线61，用于将读出电流导向至自由磁性层62、隧道屏障63和固定磁性层64的多层的一个多层栈。所述栈构建在另一个导体65上，所述导体65经由选择线68连接到选择晶体管66上。当选择晶体管66被其栅极上的控制电压激励时，它将所述读电流67耦接连接至用于读相应比特单元的地电平。呈现在固定磁性层64和自由磁性层62中的磁化方向69确定隧道屏障63中的电阻，与MRAM存储器中的比特单元元件类似。在编程期间由外部磁性写入器件确定自由磁性层中的磁化方向。
在一个实施方式中，同时读出多个传感器元件。依靠交叉线来寻址比特单元。读出方法取决于传感器的类型。在伪旋转电子管的情况下，能将多个单元串联地连接到字线中，因为这些完全金属化的单元电阻相对较低。这样就提供了重要的优点，即每N个单元仅需要一个切换元件(通常是一个晶体管)。与之相关联的优点是相对的电阻变化被N除。通过测量字线(与多串单元)的电阻来进行读出，同时随后将小的正加负的电流脉冲加到所期望的位线上。伴随的磁场脉冲在两个铁磁层的切换磁场之间；因此具有较高切换磁场的层(感测层)将保持不变，而其它层的磁化方向被设置为定义的方向，并且然后被翻转。从字线中得到的电阻变化的符号来看，可以看出在字线和位线的交叉点处的单元中存储的是“0”还是“1”。在一个实施方式中，使用具有固定磁化方向的旋转值，并且在其它自由磁性层中检测数据。在此情况下，测量单元的绝对电阻。在一个实施方式中，相对于参考单元差动地测量电阻。借助于一个切换元件(通常是一个晶体管)来选择这个单元，这意味着在此情况下每个单元需要一个晶体管。除了每个单元需要一个晶体管的传感器之外，另一选择为考虑单元中不带晶体管。交叉点几何结构中的每个单元零个晶体管的传感器元件提供了更高的密度，但是读出时间稍微较长。
图7示出了写入模式下的读出/写入元件。读出/写入元件(70)具有与上面参考图6所述的只读元件(60)相同的部件，及另外一个用于引导相对较大的写电流以产生第一写磁场分量72的写字线71。经由位线61引导第二写电流73以产生第二写磁场分量74。由两个写电流产生的组合磁场是足够的强，从而能设置自由磁性层62中的磁状态。写某个单元等效于按所期望的方向设置磁化方向，例如向左磁化表示“0”，而向右磁化表示“1”。通过将电流脉冲加到位线和字线上而感应出磁场脉冲。只有阵列中的两线交叉点处的单元才经受最大的磁场(即由两个电流脉冲感应出的场向量和)，并且其磁化方向翻转；所有其它位于位线或字线下的单元暴露给由单个电流脉冲引起的较低磁场，因此它们不改变其磁化方向。
对于比特的表示有不同的可能性。所谓的伪旋转电子管包括两个以不同的磁场切换其磁化方向的铁磁层；这可以通过使用不同磁性材料的多个层或材料相同但是厚度不同的多个层来实现。在另一个实施方式中，使用交换偏置的旋转隧道结，其中多个磁性层之一的磁化方向是如此的强，致使在正常的操作条件下其能被认为是固定的。例如，这能通过使用交换偏置的或人造的逆铁磁来实现。
根据本发明的存储器器件特别适合于下述应用。可以使用只读类型来代替需要在掩模设计中就已经知道其内容的掩模ROM。这具有这样的优点，能在“制造的最后时刻”编程其内容。也能代替其它类型的可编程一次的存储器，这具有这样的优点，即能不止一次地对新的器件进行编程(因此已经编程的存储器能被更新或校正，并且变得不会过期)。另一个应用是需要可交换存储器的便携式设备，例如膝上型电脑或便携式音乐播放器。所述存储器件具有较低的功耗且能实现对数据的立即存取。所述器件还能用作用于内容发布的存储介质。另一个应用是智能卡。所述器件还能在制造之后不能被重写的安全存储器，例如用作一个必须存储对于每个个别IC是唯一的数据(例如唯一的识别号或计数器或随机密码等)的存储器。
在一个实施方式中，所述器件在该器件的一部分中具有读写单元来与只读部分相结合。存储器器件的只读阵列部分应用为含有操作系统、程序代码等的存储器。另一个应用为实行版权保护很好的存储器。例如，此类存储器适合于游戏发布。与已有的解决方案相反，具有以下所有特性：易于复制、复制保护、瞬时接通(instant-on)、快速的存取时间、健壮、没有移动部分、低功耗等。
尽管主要通过使用TMR效应的实施方式来解释本发明，然而可以使用任意合适的用于与磁性材料相配合的读/写元件，例如基于线圈的。应注意到，在本文中动词“包括”及其同义词不排除那些列出的元件或步骤以外的元件或步骤的存在；而且，元件前的的词语“一个”或“一”并不排除存在多个此种元件的情况，任何附图标记不限制权利要求的范围，本发明可以借助硬件以及软件来实现，数个“装置”或“单元”可以通过硬件或软件的同一部分来实现。此外本发明的范围不局限于所述实施方式，且本发明在于上述各个和每一个新颖的特征或特征组合。

Claims (12)

1.一种存储器器件，包括一个信息平面和一个电磁传感器元件阵列，所述信息平面包括一种构成比特位置阵列的电磁材料，在一个比特位置处的所述材料的磁状态表示其值，所述电磁传感器元件与比特位置对齐，其特征在于，所述信息平面是可编程的或通过一个单独的磁写入器件来编程。
2.如权利要求1所述的器件，其中，所述电磁传感器元件包括对于电磁材料的所述磁状态敏感但是不能改变该状态的只读传感器元件。
3.如权利要求1或2所述的器件，其中，该器件包括一个用于封装电磁传感器元件阵列的壳体，所述壳体具有一个用于与所述写入器件的编程表面相配合的交界表面，从而接收一个磁场以磁化比特位置处的电磁材料。
4.如权利要求1或2所述的器件，其中，该器件包括一个用于封装电磁传感器元件阵列的壳体，所述壳体具有一个用于选择性地防止经由磁场来改变比特位置处的所述磁状态的保护盖。
5.如权利要求4所述的器件，其中，所述保护盖包括一种磁性屏蔽材料。
6.如权利要求1或2所述的器件，其中，所述电磁传感器元件包括与其它比特位置对齐的读写元件，所述读写元件对于电磁材料的所述磁状态敏感，同时也能改变所述磁状态。
7.如权利要求6所述的器件，其中，所述只读传感器元件和读写元件排列在单个阵列中。
8.一种用于对如权利要求1所述的存储器器件编程的写入器件，其特征在于，所述写入器件包括一个用于与所述存储器器件的信息平面相配合的编程表面，以及用于在编程表面产生一个磁场以磁化比特位置处的电磁材料的装置。
9.如权利要求8所述的用于对如权利要求3所述的存储器器件编程的写入器件，其特征在于，所述编程表面设置为与所述存储器器件的壳体的交界表面相配合。
10.如权利要求8或9所述的写入器件，其中，用于产生磁场的装置包括以下之至少一个：
一个可个别控制写入元件的阵列；或
一个永磁元件阵列；或
一个磁头和用于经由该磁头在编程表面上扫描信息平面的扫描装置。
11.一种制造如权利要求1所述的存储器器件的方法，所述方法包括一个在封装所述器件之前根据预定数据磁化比特位置处的电磁材料的步骤。
12.一种使用如权利要求8所述的写入器件对如权利要求1所述的存储器器件进行编程的方法，所述方法包括一个根据预定日期磁化该存储器器件的比特位置处的电磁材料的步骤。
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