CN1689118A - 只读磁存储设备mrom - Google Patents

Abstract

一种存储设备，具有信息载体部分(10)和读出部分(30)。该信息载体部分(10)被提供有一个电－磁材料的图案，构成一个比特位置阵列(11)，所述材料在信息平面上存在或不存在表示逻辑值。该读出部分具有电－磁传感器元件的二维阵列(31)，这些电－磁传感器元件对于在近场工作距离存在所述电－磁材料敏感。在制造过程中，该两个部分被固定耦合并且对齐，以便将所述比特位置定位在所述传感器元件对面。

Description

只读磁存储设备MROM

本发明涉及一种存储设备。

本发明进一步涉及用于装配存储设备的方法。

就数字数据的存储而言，已知有若干种固态设备，如RAM、ROM或EPROM类型的半导体存储器电路。一种有前途的新型存储设备是所谓的MRAM，一种磁随机存取存储器，其基于磁性材料和电子电路来设置和检测材料的比特位置的磁状态。

在Peter K.Naji等发表在2001 IEEE International Solid-State Circuits Conference 0-7803-76608-5，ISSCC2001/Session7/Technology directions：Advanced Techno1ogies/7.6上的文献“A256kb 3.0V 1T1MTJ Nonvolatile Magnetoresistive RAM”中公开了一种磁性随机存取存储器(MRAM)。这种MRAM设备具有自由磁层用于信息存储。在该设备中，包含一个比特单元阵列，这些比特单元具有电子传感器元件和所述自由磁层上的一个比特位置。自由磁层材料的磁状态表示该比特位置的逻辑值。在读取模式，所述传感器元件被安排来检测所述磁状态，特别是通过隧道磁阻效应(TMR)。电流被引导通过一个隧道势垒，其中隧道概率受磁状态的影响，导致传感器元件阻抗的变化。在编程(或写入)模式，一个强编程电流被引导通过一个编程电路，产生一个磁场，该磁场的强度足够大，从而可以根据所述编程电流设置对应比特位置的磁状态。应当注意，这样的MRAM属于非易失性类型，即，不管所述设备是否具有操作功率，所述比特位置的逻辑值都不变。因此，该MRAM设备适合作为要求在通电之后立即激活的设备。该已知设备的一个问题在于所述比特位置的值必须通过对每个独立的比特单元施加编程电流才能被编程，这就要求在每个比特位置具有相对复杂的电路，以及寻址电子设备。

因此，本发明的目的是提供一种存储系统，该存储系统具有高效的方法来提供比特位置的逻辑值。

根据本发明的一个方面，该目的是通过如第一段中所定义的存储设备实现的，包括一个信息载体部分和读出部分，信息载体部分具有一个信息平面，该信息平面上提供电-磁材料的图案，构成一个比特位置阵列，所述信息平面上存在与不存在所述材料表示一个比特位置的值。读出部分具有一个分界面，用于与信息平面相互协调，该分界面上提供有电-磁传感器元件的二维阵列，这些电-磁传感器元件对在一个近场工作距离上存在所述电-磁材料敏感，该部分固定耦合和对齐，以便将所述比特位置定位在传感器元件对面，并且在一个比特位置和对应的传感器元件之间基本具有近场工作距离。

根据本发明的第二方面，所述目的是通过如第二段中所定义的用于装配存储设备的方法来实现的，所述设备包括一个信息载体部分和读出部分，信息载体部分具有一个信息平面，该信息平面上提供电-磁材料的图案，构成一个比特位置阵列，所述信息平面上存在与不存在所述材料表示一个比特位置的值。读出部分具有一个分界面，用于与信息平面相互协调，该分界面上提供有电-磁传感器元件的二维阵列，这些电-磁传感器元件对在一个近场工作距离上存在所述电-磁材料敏感，该方法包括对齐所述信息载体部分和读出部分，以便将所述比特位置定位在传感器元件对面，并且在一个比特位置和对应的传感器元件之间基本具有近场工作距离，并且在对齐过程中，物理上绑定所述信息载体部分和读出部分。

本发明的技术效果是能够以相对低的费用制造具有预定容量的存储设备。信息载体上比特位置的值由材料的存在或不存在构成。信息载体部分可以通过机械技术如浮雕或模压制造。读出部分可以是大量制造的标准部件，用于与不同的信息载体部件组合。传感器元件与MRAM单元的区别在于传感器元件通过生成磁场或电场来检测材料的存在，并且对由材料引起的磁场或电场扰动很敏感。更进一步，传感器元件将不像MRAM设备中通常的比特单元元件那么复杂，因为不需要写入电路。对齐只有在将信息载体部分绑定到所述读出部分的最后步骤中需要。因此，本发明的设备的总成本将显著低于相同容量的MRAM设备。使固定信息载体与读出部分组合的优点在于，对于用户来说，设备的容量立即可用，并且不需要任何扫描过程即可访问，而象光盘等则必须经过扫描。该设备提供了一种廉价的可复制固态存储器。这一概念结合了非易失性固态存储器的优点(快速随机访问，高数据速率，低功率，鲁棒，以及由于不存在移动部分而对震动不敏感)和光学存储器的优点(可以做出廉价的可复制存储载体，适合数字内容的传播)。此外，对内容的拷贝有一种内在的保护，因为用户将不能访问可写类型的类似存储设备。

本发明还基于以下认识。已知的磁性存储设备是固态设备，其中包含信息平面。在这样的固态设备中，信息平面不能访问，并且与传感器元件共同制造。对比特平面的编程必须通过比特单元传感器元件自身来进行。发明人发现，信息平面可以独立制造。这一效果是通过在制造过程中将读出功能与存储功能分为物理上独立的两部分而获得的。在制造过程的最后，将信息载体部分配备(即对齐和固定)到固态读取器上。由于这一过程在洁净室中进行，因此，分界面的污染可以控制在较低水平。在MRAM类型的设备中，数据是以磁性材料的磁状态存储的，该磁性材料的硬度足以具有两个稳定的磁化状态。发明人利用了一种在本申请文件中称为电-磁材料的材料，因为其存在与否可以通过由读出单元产生的电和/或磁场(也称为偏置场)来检测。注意，比特位置的值的检测不依赖于材料的磁状态，而是依赖于材料本身的存在与否。一个电-磁传感器元件可以产生偏置场，并能够检测在预定近场工作距离上延伸的场中的扰动，所述近场距离在实践中与所述比特位置的最小维度的大小在同一数量级。需要进行对齐以便将与所述比特位置相对和靠近的元件置于近场工作距离内。此外，可以采用任何基于电-磁场的近场耦合原理，如光学、静电、静磁等。

在所述设备的一个实施例中，信息平面中的所述图案由一个基片上的电-磁材料层构成，该基片具有凸起的部分或凹陷的部分，这使得该层的电-磁材料要么在所述近场距离内，要么在所述近场距离外。这样做的优点在于可以采用冲压方式很容易地制造所述基片，从而可以应用覆盖整个表面的一个连续层。

根据本发明的设备的其它优选实施例在从属权项中给出。

下面将参考通过举例方式描述的本发明的实施例并参照附图来说明本发明的这些和其它方面，附图中：

图1示出一个信息载体部分(顶视图)；

图2a示出一个图案化的信息载体部分；

图2b示出一个浮雕化的信息载体部分；

图2c示出具有嵌入颗粒的信息载体部分；

图3示出读出部分；

图4示出存储设备；

图5示出在信息平面的近场工作距离的传感器元件；以及

图6示出传感器元件的细节。

在附图中，对应于已经描述过的元件的元件采用相同的标号。

图1示出一个信息载体部分(顶视图)。信息载体部分10具有信息平面，该信息平面上具有电-磁材料12的图案，构成一个比特位置11的阵列。材料12在信息平面上存在与否提供物理参数，用于表示比特位置的值。注意，该信息平面位于信息载体部分10的上表面13上。该信息载体部分的上表面13要耦合到读出部分的分界面上。该信息平面被认为存在于距离机械顶层一个有效距离处，例如，用于保护所述信息平面的一个薄的覆盖层可以构成所述信息载体部分的外部层。还应当注意，远离所述上表面13并且在所述读出部分的近场工作距离之外的材料不被看作所述信息平面的部分。所述读出部分中的传感器元件置于靠近所述信息平面，但二者之间可能存在象绑定材料或污染物的一些中间物质。因此，所述有效距离由任何中间物质和具有从所述分界面向外延伸到所述信息平面的近场工作距离的读出传感器元件决定。下面将参考图5解释材料在信息平面上存在与否对于读出信息的物理效果。

图2a以截面图的方式示出图案化的信息载体部分。该信息载体具有基片21。在基片21的上侧通过电-磁材料的图案形成一个信息平面，该图案构成一个比特位置阵列。例如，在第一比特位置22，存在所述材料表示逻辑值1，在第二比特位置23，不存在所述材料表示逻辑值0。该材料具有一种软磁属性，以便可以由所述传感器元件检测到。所述材料的图案可以通过公知的图案化磁性介质制造方法来制造，但应当注意，不需要永久磁化。合适的方法包括溅射和局部蚀刻，离子束构图、或使用掩膜压制。

图2b以截面图的方式示出一种浮雕式信息载体部分。该信息载体具有基片25。在基片25的上侧通过电-磁材料的连续层形成一个信息平面，该层具有凸起和凹陷部分。该层的形状构成一个比特位置阵列。在第一比特位置26，所述材料通过一个凸起部分存在于对应的读出单元的近场工作距离内，表示例如逻辑值1。在第二比特位置27，所述材料通过一个凹陷部分而不在所述信息平面内，该凹陷部分使得材料位于所述近场工作距离以外，表示例如逻辑值0。该浮雕的图案可以通过公知的制造方法施加在所述基片上(或施加到所述层自身)，例如类似于制造CD类光盘时采用的用模具压制。例如，首先通过电子束刻蚀法在一个赤裸的硅晶片上制作一个抗蚀剂掩模，并将其用作主体。如果需要，可以在所述硅晶片上蚀刻出孔，以便以二维孔图案的方式存储信息。然后，利用该主体，或通过注射模塑法，或通过浮雕，或通过2P，在一个薄片上复制所述图案。然后，在复制件上沉积一个薄磁层(例如通过溅射)，并且可选地，在一个均匀的外部磁场中磁化所述材料。应当注意，准确的操作原理具有多种可能性。所述信息平面仅作为一个磁导(利用软磁材料，因此不需要磁化步骤)；所述信息平面使用形状各向异性，导致例如反向孔的正交磁化；或者所述信息平面被均匀磁化，导致在孔边缘的杂散场。第一种原理示于图5，其好处是最容易实现，并且防止了由超顺磁性限制对比特大小施加的限制条件。

图2c以截面图的形式示出具有嵌入颗粒的信息载体部分。该信息载体具有基片28。在基片28的上侧通过嵌入颗粒29而形成一个信息平面。在一个比特位置，要么有嵌入的材料颗粒，要么没有颗粒，表示逻辑值。

颗粒使得材料出现在对应读出单元的近场工作距离内。显然，除了在一个位置嵌入单个颗粒，也可以采用多个较小的颗粒。所述信息载体通过在基片中引入珠子的图案，或者使用胶合掩膜将珠子粘贴到基片上来制成。

可选地，所述珠子也可以通过施加空间调制的磁场来定位。

图3示出一种读出部分。读出部分30用于与上述信息载体部分协调使用。该读出部分到信息载体之间具有分界面32。分界面32具有传感器单元阵列31。该阵列是电-磁传感器单元的二维排列，这些电-磁传感器单元对于在近场工作距离存在所述电-磁材料敏感。

应当注意，可以选择电-磁材料和传感器单元的几种结合方式。在一个实施例中，所述传感器单元被提供有电路，用于产生磁场和检测该磁场受到具有软磁属性的材料的存在与不存在的影响。在另一个实施例中，所述传感器单元被提供有电路，用于产生电场和通过例如容性耦合检测该电场受到具有软磁属性的材料的存在与不存在的影响。在另一个实施例中，所述传感器单元被提供有电路，用于产生波动磁场和通过涡流检测该磁场受到传导材料的存在与不存在的影响。在另一个实施例中，所述传感器单元被设计成发出光线作为电磁场，并检测在距离光源近场工作距离处的材料的效应。下面描述的其它实施例基于使用磁性材料。一种合适的材料是软磁材料，一种合适的传感器元件基于磁阻效应。下面参考图6描述一个例子。

图4示出一个存储设备。该存储设备具有容纳所述信息载体部分10和读出部分30的外壳41。从外壳41延伸出电连接器42，用于将存储设备连接到外部世界。如图所示，所述部分固定耦合在所述外壳里边。在制造过程中，两个部分都对齐，以便在一个比特位置与对应的传感器元件之间将与传感器元件相对的比特位置基本上定位在近场工作距离。在对齐状态，所述部分通过例如施加胶合剂或通过形成所述外壳的封装处理而被绑定到一起。应当注意，因为存储器层在最后的步骤加入，并且读取设备可以大量制造，所以该新设备的制造会带来巨大的节约。所述存储器层可以在一条独立的生产线上按照期望的数量进行复制，然后例如采用晶片绑定处理绑定到读取器芯片上。

图5示出在信息平面的近场工作距离的传感器元件。其中示出所述阵列的两个传感器元件54、56。在传感器元件54、56的上面，示出信息载体部分具有基片51和磁性材料层52。在比特位置53，一个凸起部分使得材料靠近传感器元件56并进入其近场工作距离。在相邻的比特位置，材料在下一个传感器元件54的近场工作距离之外。传感器元件设计为例如通过引导电流通过元件56下面的引线58来产生磁场55、57。该磁场受到所述磁性材料在所产生的磁场55、57中存在或不存在的影响，导致在传感器元件顶层中不同的磁方向。该方向在使用磁-电效应的具有多层或单层堆栈的传感器元件(例如GMR、AMR、或TMR)中被检测到。在本发明的只读传感器元件中，出于阻抗匹配的考虑，优选采用TMR型传感器。

如图所示，在信息载体上的磁层的接近部分强制一个偏置场的场力线远离TMR元件。该材料作为一种磁导：场力线通过材料，而不是通过旋转-隧道结的自由层。如果旋转-隧道结的堆栈设计为使得层间静磁耦合导致在没有外部磁场施加的情况下呈反平行磁化结构，则磁层凸起的靠近导致高阻抗，否则偏置场将引起低阻抗状态。在一个实施例中，采用一个载流导体作为偏置场的场发生带。可选地，可以采用永磁体。偏置场可以有多种变型，并且还可以采用杂散场，这对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。介质中的偏置场可以在基片的平面内(如图所示)，但也可以考虑垂直于基片的偏置场，导致来自磁层的在旋转-隧道结层的平面内具有分量的杂散场。尽管给出的例子采用具有平面内敏感性的磁阻元件，但也可以采用对垂直场敏感的元件。关于采用磁阻效应的传感器的更多说明，请参见发表于Frontiers of Multifunctional Nanosystems第431-452页，ISBN1-4020-0560-1(HB)或1-4020-0561-X(PB)上，由K.-M.H.Lenssen所著的Magnetoresistive sensors and memory。

在所述存储系统中，数据是通过由信息平面上传感器对面的比特位置引起的在传感器元件处发生的磁化方向来表示的。读出是通过阻抗测量进行的，该测量依赖于在多层堆栈中检测到的磁致电阻(MR)现象。传感器可以基于薄膜中的各向异性磁致电阻(AMR)效应。由于薄膜中的AMR效应的幅度通常小于3％，所以采用AMR需要灵敏的电子设备。较大的巨型磁致电阻(GMR)效应具有较大的MR效应(5à15％)，因此具有较高的输出信号。磁隧道结采用大的隧道磁致电阻(TMR)效应，并且已经显示了高达50％的阻抗变化。由于TMR效应对偏置电压的强依赖性，目前在实践中可用的阻抗变化大约为35％。一般而言，GMR和TMR在多层堆栈中的磁化方向为平行的情况下都导致低阻抗，而当磁化方向为反平行时则导致高阻抗。在TMR多层中，检测电流必须垂直于层平面施加(CPP)，因为电子必须在阻挡层中开辟隧道通过；在GMR设备中，检测电流通常在层的平面内流动(CIP)，尽管CCP结构可以提供较大的MR效应，但垂直于这些全金属多层的平面的阻抗很小。但是，使用进一步的磁化，基于CPP和GMR的传感器也是可能的。

图6示出传感器元件的细节。该传感器具有导电材料的比特线61，用于将读出电流67引导到由自由磁层62、隧道势垒63、和固定磁层64组成的多层堆栈。该堆栈建立在另一个通过选择线68连接到选择晶体管66的导体65上。当选择晶体管66被其栅极的控制电压激活时，将所述读出电流67耦合到接地电平，用于读出相应的比特单元。出现在固定磁层64(也称为固定层pinned layer)和自由磁层62中的磁化方向69决定隧道势垒63中的阻抗，类似于MARM存储器中的比特单元元件。如以上参考图5所述，当材料处于由箭头60所示的近场工作距离内时，自由磁层中的磁化由与传感器相对的比特位置处的材料决定。

在一个实施例中，不需要附加的装置来产生偏置场，偏置场实际上是内置在所述旋转-隧道结中的。这可以通过例如以下方式来完成。一个内置永磁体通过所述旋转-隧道结之上或之下的一个附加硬磁层获得，或通过“过尺寸(over-dimensioned)”固定层，例如交换偏置层，来获得，或者在类似于MR元件的“伪偏置阀”的情况下，通过硬磁层来获得。重要的是这样产生的静磁耦合在固定层和自由层之间的任何直接交换耦合中占优，正如旋转-隧道结中通常的情况。当信息载体的软磁层靠近元件时，即，在近场工作距离内时，自由层上的静磁耦合的效果将显著降低。这可以通过使所述距离充分小，而使该层的厚度充分大来实现。在一个实施例中，信息平面内的材料在与传感器元件中的自由层的磁化方向平行的方向上被永久磁化。由于磁通靠近，假如对载体的耦合比对MR元件中其它层的耦合强，信息载体中的凸起将导致自由层磁化的翻转。

对于传感器元件，由于与MRAM的要求不同，旋转-隧道结的成分和特征与用于MRAM的成分和特征相比进行了修改。对于MRAM来说，两个稳定的磁化结构(即平行和反平行)对于存储是关键的，但对于所提出的传感器元件来说则不一定是这样。此处读出灵敏度是关键的，而双稳定磁化结构通常并不相关。当然，例如固定或交换偏置层中的参考磁化的方向应当是不变的。因此，对于作为检测层的自由层，可以选择具有低矫顽力的材料。

在一个实施例中，多个传感器元件被同时读取。比特单元的寻址是通过交叉线的阵列进行的。读出方法依赖于传感器类型。在伪旋转阀的情况下，多个单元(N)可以串联连接在字线中，因为这些全金属单元的阻抗相对较低。这样提供了一种有趣的优点，即每N个单元仅需要一个开关元件(通常是晶体管)。相关的缺点是相对阻抗变化被N除。读出是通过测量字线(与单元的串联)的阻抗来进行的，而随后一个小的正加负电流脉冲被施加到期望的位线上。伴随的磁场脉冲在两个铁磁层的切换场之间，这样，具有较高切换场的层(检测层)将保持不变，而另一个层的磁化将被置位到所确定的方向，然后再翻转。从字线中所产生的阻抗变化的符号可以看出该字线与位线交叉点处的单元中存储的是“0”还是“1”。在一个实施例中，采用具有固定磁化方向的旋转阀，并且数据在另一个自由磁层中检测。在该情况下，测量的是该单元的绝对阻抗。在一个实施例中，所述阻抗参考一个基准单元按照微分测量。该单元通过一个切换元件选择(通常是晶体管)，这意味着在该情况下每个单元需要一个晶体管。除了每个单元一个晶体管的传感器，也可以考虑在单元内没有晶体管的传感器。每个单元零个晶体管的交叉点形状的传感器元件提供较高的密度，但具有较长的读出时间。

根据本发明的存储器设备特别适合于以下应用。第一种应用是需要可替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。存储设备具有低功耗，并且可以即时访问数据。该设备还可用作存储介质，用于内容传播。另一种应用是智能卡。该设备还可以用作在生产出来之后不能被重写的安全存储器。在一个实施例中，该设备除了新的存储器单元外，还具有正常的RAM存储器。该存储器设备的新的存储器阵列部分用作包含操作系统、程序代码等的存储器。另一种应用是绝对版权保护的存储器。所述保护得益于以下事实，即不存在该信息存储设备的可记录/可重写版本，所以，用户当然不能拷贝所绑定的只读信息载体。例如，这种类型的存储器适合游戏传播。与现有解决方案相反，它具有以下全部属性：容易复制，拷贝保护，即时开启，快速访问，鲁棒，没有移动部分，低功耗等。

尽管主要通过使用软磁材料和磁导的实施例解释了本发明，但是任何类型的近场交互作用都可使用，如容性耦合。注意，在本文献中，动词“包括”及其同类用词不排除存在所列举之外的其它元件或步骤，在一个元件之前的词“一”、“一个”不排除存在多个这样的单元，任何参考标号都不是限制权利要求的范围，本发明既可以通过硬件，也可以通过软件实现，若干个“装置”或“单元”可以用一项硬件或软件表示。此外，本发明的范围不限于实施例，本发明在于以上所述的每个新颖的特征或其组合。

Claims (9)

1.一种存储设备，包括一个信息载体部分和读出部分，

该信息载体部分具有一个信息平面，该信息平面上提供有一个电-磁材料的图案，构成一个比特位置阵列，所述材料在所述信息平面上存在或不存在表示一个比特位置的值，

该读出部分具有一个分界面，用于与所述信息平面协调，该分界面上提供有电-磁传感器元件的二维阵列，这些电-磁传感器元件对于在一个近场工作距离存在所述电-磁材料敏感，

上述信息载体部分和读出部分固定耦合并且对齐，以便将所述比特位置定位在传感器元件对面，并且在一个比特位置和对应的传感器元件之间基本具有近场工作距离。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述信息平面上的图案由所述电-磁材料的一个层在一个基片上构成，所述基片具有凸起部分或凹陷部分，使得所述层的电-磁材料在所述近场工作距离之外或之内。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述信息平面上的图案由被所述电-磁材料的区域的图案覆盖的基片构成，或由嵌入所述基片的电-磁颗粒的存在与不存在构成。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述电-磁材料具有软磁属性，用于被所述传感器元件检测。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述电-磁材料具有导电属性，用于被所述传感器元件检测。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述传感器元件被设计为以下列至少一种方式产生一个电-磁场，并检测所述电-磁材料的存在：

产生一个磁场，并通过软磁属性检测该磁场受到所述电-磁材料的存在与不存在的影响；或

产生一个电场，并通过容性耦合检测该电场受到所述电-磁材料的存在与不存在的影响；或

产生一个波动磁场，并通过涡流检测该磁场受到所述电-磁材料的存在与不存在的影响。

7.用于如权利要求1所述设备中的信息载体部分，其特征在于所述信息载体部分包括一个信息平面，该信息平面上提供有一个电-磁材料的图案，构成一个比特位置阵列，所述材料在所述信息平面上存在或不存在表示一个比特位置的值。

8.用于如权利要求1所述设备中的读出部分，其特征在于所述读出部分具有一个分界面，用于与所述信息平面协调，该分界面上提供有电-磁传感器元件的二维阵列，这些电-磁传感器元件对于在一个近场工作距离存在所述电-磁材料敏感。

9.用于装配一个如权利要求1所述包括信息载体部分和读出部分的存储设备的方法，

该信息载体部分具有一个信息平面，该信息平面上提供有一个电-磁材料的图案，构成一个比特位置阵列，所述材料在所述信息平面上存在或不存在表示一个比特位置的值，

该读出部分具有一个分界面，用于与所述信息平面协调，该分界面上提供有电-磁传感器元件的二维阵列，这些电-磁传感器元件对于在一个近场工作距离存在所述电-磁材料敏感，

该方法包括

对齐所述信息载体部分和读出部分，以便将所述比特位置定位在传感器元件对面，并且在一个比特位置和对应的传感器元件之间基本具有近场工作距离，和

在对齐后，物理绑定所述信息载体部分和读出部分。

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