CN1725370B

CN1725370B - 降低功耗的mram器件各向异性轴角选择方法和结构

Info

Publication number: CN1725370B
Application number: CN2005100791333A
Authority: CN
Inventors: 菲利普·L.·特洛尔劳德; 戴维·W.·亚伯拉罕; 约翰·K.·德布洛斯
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: US7102916B2; US20060002179A1; CN1725370A

Abstract

一种用于对磁随机访问存储器(MRAM)器件确定期望各向异性轴角度的方法，所述方法包括选择各向异性轴角度的多个最初值，对每个所选最初值，确定MRAM器件至少一个铁磁层的最小厚度。最小厚度对应MRAM器件内单个单元的预定激励能量。对于每个所选值，还确定出在MRAM器件的字线方向和位线方向上的最小施加磁场值，以便保持所述预定激励能量。对于每个所选值，计算每位所施加功率值，其中，期望各向异性轴角度为对应于最小每位功率值的所选各向异性轴角度。

Description

降低功耗的MRAM器件各向异性轴角选择方法和结构

技术领域

本发明通常涉及磁随机访问存储器器件，更具体而言，涉及用于选择MRAM器件的各向异性轴角度以降低功耗的方法和结构。

背景技术

磁(或磁电阻)随机访问存储器(MRAM)是有潜力替代动态随机存取存储器(DRAM)以作为计算设备标准存储器的非易失性随机访问存储器技术。利用MRAM作为非易失性RAM，最终将能够实现当系统一开启时就会变得活跃的“即时启动(instant on)”的系统，从而节省例如对于传统PC在系统加电期间将引导数据从硬盘驱动器传输到易失性DRAM所需的时间量。

磁存储器元件(也称隧道磁电阻效应或TMR器件)包括设置在磁隧道结(MTJ)中、通过非磁性层(势垒)将铁磁层隔开的结构。数据信息存储在存储器元件中，并将其表示为磁性层中的磁化方向。更具体而言，一个磁性层的磁矩是固定或钉扎的(该层也称参考层)，而另一磁性层(也称“自由”层)的磁矩可在相对于参考层的固定磁化方向而言的相同与相反方向之间进行切换。自由层磁矩的取向也称作“平行”和“反平行”状态，其中，平行状态指自由层和参考层的磁矩取向相同，而反平行状态指自由层和参考层的磁矩取向相反。

根据自由层的磁化状态(平行或反平行)，响应于在隧道结势垒上施加的电压，磁存储器元件表现出两个不同的电阻值。从而，TMR器件的具体电阻值反映出自由层的磁化状态，其中，当磁化方向平行时，电阻值较“小”，当磁化方向反平行时，电阻值较“大”。因此，检测电阻值的变化能够使MRAM器件提供在磁存储器元件中所存储的信息(即，读出操作)。存在有不同的用于对MRAM单元进行写入的方法，例如，通过在特定方向施加双向电流，对Stoner-Wohlfarth星形MRAM单元写入，以便将自由层磁性调整成平行或反平行状态。自由层被制成具有称作“易磁化轴”(EA)的磁化方向的最佳轴，这通常通过MTJ的固有各向异性，张力感应各向异性和形状各向异性的组合来设置。

当足够强的电流流过MRAM的字线和位线时，在写入线和位线交叉处的这些电流所产生的合成场将使处在受激励写入线和位线的交叉处的特定MTJ的自由层的磁化方向旋转。对电流级别进行选择，以使合成场超过自由层的切换阈值。对于Stoner-Wohlfarth星形MRAM结构，将EA设置成与位线或字线的取向相同。

随着MRAM器件横向尺寸的减小，会出现数种问题。首先，对于给定形状和薄膜厚度而言切换场增加了，从而需要更强的磁场用于切换。其次，总切换体积减小，从而用于反向的能量势垒也减小了，其中，能量势垒是指将磁矩矢量从一个状态切换到另一状态所需的能量。能量势垒决定了MRAM器件的数据保持力和差错率，从而，如果势垒过小，则会由于热涨落出现意外的反向。此外，如果能量势垒较小，很难有选择性地对阵列中单个MRAM器件进行切换而又不会对其他MRAM器件产生不利影响。再者，由于切换场由形状产生，随着MRAM器件尺寸的减小，切换场变得对形状变化更为敏感。

有鉴于此，已提出了其中铁磁材料的自由层包含有多个(例如两个)铁磁层的MRAM器件。由于静磁耦合，两个铁磁层的磁矩彼此反平行，从而使净合成磁矩沿各向异性的易磁化轴取向。这种结构允许实现改进了选择性的不同方法。更具体而言，写入方法依赖“自旋翻转(spin-flop)”现象，该现象通过旋转铁磁层的磁矩矢量以使铁磁层磁矩矢量与所施加场方向的正交为次(nominally)，但仍然以彼此反平行为主，来降低所施加场的总磁能。旋转或翻转，与所施加场方向上每个铁磁层磁矩矢量的较小偏转相结合，导致总磁能降低。以定时序列施加到字线和位线的电流波形导致磁场能量使器件的有效磁矩旋转大约180度。

在MRAM写入的旋转方法中，将器件构造成使磁各向异性轴相对于字线和位线的取向成45°角。在功耗方面，各向异性轴的45°角取向仅对于其中字线和位线的场产生能力彼此基本相同的结构是最佳的。然而在实际的MRAM结构中，经常出现字线和位线的场产生效率并不相同的情形。例如，路线的电阻可能会发生变化和/或线路相对于MTJ的位置可能发生变化。另外，还可能使用磁垫来增强一组线的写入效率，而对另一组线则不使用。此外，对于同时对阵列中所有位线进行写入的结构，对字线应用相当大的电流和降低施加到数个位线的电流的量可能更为有效。

因此，最好能够对于给定MRAM结构，确定出用于降低功耗而又能保持阈值激励能量以使MRAM器件保持选择性的定制各向异性轴角度。

发明内容

通过一种用于确定磁随机访问存储器(MRAM)器件的期望各向异性轴角度的方法，来克服或缓解现有技术中的上述缺陷和不足。在示例性实施例中，该方法包括，选择各向异性轴角度的多个最初值，以及对各向异性轴角度的每个所选最初值，确定MRAM器件的至少一个铁磁层的最小厚度。最小厚度对应于MRAM器件内单个单元的预定激励能量。对于各向异性轴角度的每个所选值，还确定出在MRAM器件的字线方向和位线方向上的最小施加磁场值，以便保持预定的激励能量。对于各向异性轴的每个所选值，计算每位所施加功率值，其中，期望各向异性轴角度为对应于最小每位功率值的所选各向异性轴角度。

在另一实施例中，磁随机访问存储器(MRAM)器件包括字线，位线和设置在字线与位线之间的存储元件，存储元件还包括参考磁层堆和自由磁层堆。自由磁层堆被形成为相对于字线和位线所定义的轴具有各向异性轴角度，其中，将各向异性轴角度取向成利于使器件的每位功率消耗最小。

在又一实施例中，磁随机访问存储器器件包括，多个字线，多个位线，和设置在字线和位线之间其相应交叉处的多个存储元件。多个存储元件均包括参考磁层堆和自由磁层堆。自由磁层堆被形成为相对于字线和位线所定义的轴具有各向异性轴角度，其中，将各向异性轴角度取向成利于使器件的每位功率消耗最小。

附图说明

后面，将参照示意性附图进行描述，在数个附图中，对相同元件赋予了相同的附图标记，其中：

图1(a)表示字和位轴从基线对称条件的旋转；

图1(b)表示，对于各向异性轴采用传统45角取向的MRAM器件的旋转切换周期的二维场图；

图1(c)表示对应于图1(b)的闭环切换路径的激励能量曲线；

图2表示，根据本发明一实施例，用于选择MRAM器件的各向异性轴角度以降低功耗的方法的流程图；

图3(a)表示，利用图2的方法，对于效率因子为4的MRAM器件的每位功率随θ变化的示意曲线图；

图3(b)表示，对于图3(a)的情形，在所确定的θ最佳值处旋转切换周期的二维场图；

图3(c)表示对应于图3(b)的旋转闭环切换路径的激励能量曲线图；

图4(a)表示，利用图2的方法，对于效率因子为8的MRAM器件的每位功率随θ变化的示意曲线图；

图4(b)表示，对于图3(b)的情形，在所确定的θ最佳值处旋转切换周期的二维场图；

图4(c)表示对应于图4(b)的旋转闭环切换路径的激励能量曲线图；

图5(a)表示，利用图2的方法，对于效率因子为256的MRAM器件的每位功率随θ变化的示意曲线图；

图5(b)表示，对于图5(b)的情形，在所确定的θ最佳值处旋转切换周期的二维场图；

图5(c)表示对应于图5(b)的旋转闭环切换路径的激励能量曲线图；

图6(a)的一组普适曲线，示意性表示在字和位方向所施加磁场以及自由层厚度随旋转角度θ的变化；

图6(b)表示作为效率因子的函数N的最佳角度的曲线图；

图6(c)表示与使用θ＝90°的值相比的功率节省的曲线图；

图7表示，根据本发明又一实施例，设置用于旋转切换并使其各向异性轴最适于低功耗的MRAM阵列结构的单个存储器元件的简化截面图；以及

图8表示如图7所示MRAM结构的顶视图。

具体实施方式

下面，描述用于选择通过旋转切换技术进行写入的MRAM器件的各向异性轴角度，从而降低功耗的方法和结构。简而言之，各向异性轴的旋转几何设置从某些结构的传统45°角取向偏移，这些结构例如为字线和位线的线电阻或场效率不同的情形，或同时对多个位进行写入的情形。对于给定的效率因子，通过描绘出每位所施加功率随轴角度调整的变化来找出产生最低每位所施加功率值的特定旋转角度，来确定对各向异性轴角度的所需调整。每位功率取决于芯片设计以及操作条件，旋转切换周期期间在字线方向和位线方向上所施加磁场的强度，以及字线和位线之间的效率因子。可通过在每个方向上所施加磁场的二维图的路径，来显现旋转切换周期。

所施加磁场图所定义的封闭路径，以及为保持激励能量最小阈值所需的自由层堆厚度(以便阻止净磁矩的自发翻转并使器件保持选择性)取决于所选各向异性轴角度。如以下所述，在字线与位线之间的效率因子越大，则最佳各向异性轴角度越发偏离用于旋转切换的45°标称角度，此外，就会使自由层厚度增加得越大，以保持在磁场图的整个封闭路径周围激励能量的阈值。

在后面所给出的示例中，针对关于字线和位线的多种不对称场效率描绘功率随旋转角度变化的曲线。在该描述中，假设字线用于效率目的，不过实际上，位线或字线还将会更高效。这些不对称场效率可表示字线和位线本身效率之间的实际差异(例如，由于电阻不同或使用铁磁垫)，或者，可表示对沿单个字线的数个位同时进行写入的情形。

此外，在后面所述示例中，采用某些初始MRAM器件参数：即，固有各向异性偏置(H_i)＝10奥斯特(Oe)；材料磁化强度(M_s)＝1500emu/cc；以及自由铁磁层的圆形结构，其直径约为300nm，且其间没有交换耦合。

图1(a)表示字和位轴从基线对称条件的旋转。尽管该功率优化方法的实际效果是相对于字线和位线旋转各向异性轴，然而为便于说明，将针对“旋转”的字轴和“无旋转”的位轴之间的角度θ来描述不对称效率的旋转示例。从而，字轴无旋转时，θ等于90°。

现参照图1(b)和1(c)进行描述，图1(b)和1(c)显示出基线的示例，其中，采用各向异性轴的传统45°角取向，诸如字线和位线基本具有彼此相同的效率的情形。在该情形中，沿字线方向(y轴)的脉冲磁场幅度H_word与沿位线方向(x轴)的脉冲磁场幅度H_bit相同。在图1(b)中示出对于该旋转切换周期的二维场图，并通过围绕自旋翻转点的方形封闭路径来表示。相应地，在图1(c)中的激励能量曲线表明，在整个切换周期(即，沿图1(b)的方形路径位置)保持最小激励能量(例如，60kT)。

然而，正如先前所述，可能存在字线效率不同于位线效率的情形。从而，根据本发明的实施例，图2的流程图表示出用于选择MRAM器件的各向异性轴角度以降低功耗的方法200的流程图。流程自方框202开始，确定出关于字线和位线的效率因子以及如上所述MRAM器件的初始器件参数。例如，在一个示意性设置中，每位功率(P_b)与芯片电压(V_DD)以及用其各自效率(N_b和N_w)定标的位和字场(H_bit和H_word)的总和成比例，可表示为如下形式：

P_b＝V_DD·(N_b·H_bit+N_w·H_word) (等式1)

在方框204中，选择θ的第一旋转值。θ的值定义了沿字线方向所施加场相对于切换点(toggle point)(处在二维场图的基线45°轴上)的角度，进而确定了自由堆的铁磁层的厚度。从而，如方框206所示，计算出用于保持最小所需(预定义)激励能量的厚度t。这确定了在基线45°轴上的切换点的位置。

在方框208中，还确定出两倍于字场轴至切换点之间距离的所施加场H_bit。接下来，如方框210中所示，确定H_word的施加值(半选值)，以便保持最小预定义激励能量。而且，H_word和H_bit将是θ的函数。之后，在方框212中，针对所选θ值计算并描述出每位所施加功率，所施加功率是H_word和H_bit的函数。重复该过程，直至针对每个所选θ值计算出每位功率，如判决方框214所示。一旦描绘出功率曲线，则对其进行分析以找出导致最低每位功率值的特定θ值，如方框216中所示。

图3(a)至3(c)表示出实现图2方法的一种实现方式，其中，MRAM器件的字线效率是位线效率的四倍。例如，可通过对字线使用铁磁垫而对位线不使用铁磁垫，或者通过每个字有四个位的结构，来获得这种效果。在每种情形中，在字和位方向上使用相同的场将导致比实际所需更多的总写入功率的消耗。因此，能减小在位方向上所施加磁场的幅度(H_bit)，同时能增大在字方向上所施加磁场的幅度(H_word)。换而言之，由磁场图所定义的封闭路径将从方形改变为更加长方的形状(即，更长和更薄)。

特别是，图3(a)表示出，根据图2所述的方法，对于效率因子为4，在整个旋转范围(即，从在θ＝45°处的最大旋转至θ＝90°处的无旋转)上，每位功率随θ变化的结果图。由此可见，对于该效率因子的最小功率约出现在θ＝52°的角度处，这表示，与无旋转器件相比，功率降低约26％。图3(b)表示对于θ＝52°的最小功率角度在切换点周围的字线和位线场中的所施加场的封闭路径。如图3(c)所示，在两个方向上所施加场的大小足以保持沿整个封闭环路径上60kT的最小激励能量。应注意，在保持最小激励能量中的折衷是，使自由层各个铁磁部分的厚度从约2.9nm(无旋转)增加至θ＝52°处约12nm。

现参照图4(a)至4(c)，描述利用各向异性轴旋转可使功率减少的另一示例。在该示例中，假设效率因子为8(同样，例如每字有8位的结构，或者字线的效率是位线的8倍)。图4(a)也根据图2所给出的方法描绘出旋转角度随每位功率变化的曲线，只不过这次表示在θ＝48.3°的角度处的最小功率。特别注意的是，与θ＝90°相比，在θ＝48.3°处总功率减少了43％。如图(b)所示，长方形的封闭路径现在在字方向更为伸长，在位方向更受限制，同时自由层厚度还增加至约25nm。图4(c)描绘出激励能量沿图4(b)封闭路径随位置变化的曲线，再次确定此处说明的三个最小值满足针对所计算厚度的最小激励能量H_word和H_bit。

尽管字线与位线之间不对称性越强，可得到的功率节省就越增加，不过一旦层厚度增到一定程度，会对有益方面有实际限制。图5(a)至5(c)显示出这一方面，其中，字线与位线之间不对称性现为256的因子(由于采用每字有256位的结构，更有可能导致发生这种情形)。如图5(a)每位功率图所示，最小功率消耗的最佳角度约在θ＝45.8°处，在此情形中，这表示与θ＝90°的情形相比功率减少83％。正如从图5(b)中所看到的，封闭路径在字方向非常长，在位方向非常窄。换而言之，H_word的值(325Oe)比H_bit的值(8.89Oe)大得多。

此外，为保持在θ＝47°处的最小激励能量，现将自由层厚度增加到100nm。从而，尽管对于高效率差异以及大字轴旋转值而言，功率节省能比较显著，不过，采取增加厚度的形式的实质折衷将使得这样的旋转对于某些应用是不期望的。然而，对于最大可接受的厚度，可通过更小旋转来实现功率缩减。

在此处所描述的最优化方法中厚度H_word和H_bit的确定可通过一组普适曲线来实现，如图6(a)所示。普适曲线包括取决于旋转角度θ的在字和位方向上所施加磁场，以及自由层厚度。而且，这些曲线特别对应于先前所述的MRAM器件参数。从右向左看将注意到，H_word随旋转增加而增加，H_bit随旋转增加而减小，厚度随旋转增加而增加。根据H_word，H_bit和效率因子的值，能够针对给定角度计算出每位功率。

应该注意到，如果由于制造局限性使得不能支持和期望最佳的厚度，还能够通过使用图6(a)中对应于最大可接受厚度的角度以及对应于该角度的位和字场来实现。

图6(b)表示最佳角度的例子，其取决于每位功率的效率，每位功率与芯片电压和线电流的乘积成比例。可看到的曲线离散部分是由于人为计算造成。图6(c)表示出通过使用最优角度得到的功率降低百分比随效率因子变化的示例。

通过使用上述最优化方法，可通过其对应于最小每位功率消耗的各向异性轴来构造采用旋转切换的MRAM器件。现参看图7和8，显示出根据本发明又一实施例、被设置用于旋转切换并使其各向异性轴最适于低功耗的示例性MRAM结构。

更具体而言，图7表示MRAM阵列结构中单个存储器元件700的简化截面图，其中，存储器元件700设置在字线702和位线704之间。在所示示例中，显示出字线702处在存储元件顶部，而位线704处在存储元件700的底部，并相对于字线702成90°角取向。然而，应该理解，字线702和位线704的相对位置可互换(即，字线702处在存储器元件700的底部，位线704处在存储器元件700的顶部)。还应理解，实际的MRAM阵列结构将包括数个存储元件，每个存储元件处在阵列或字线和位线的对应交叉处。

在任何情形中，存储元件700都包括被钉扎(参考)层706，隧道势垒708，和自由层710，其中，隧道势垒708夹在被钉扎层706与自由层之间。此外，自由层710的特征(至少)在于具有夹在一对铁磁层714之间的非磁性间隔层712的三层结构。通常，铁磁层714可包括诸如Ni，Fe，Co之类的元素或其组合。

图8表示如图7所示MRAM结构的顶视图。尽管所示实施例以圆形存储元件700(如以上示例)为代表，不过应该理解，存储元件700可采用其他形状，例如方形，椭圆形，矩形，或菱形。

根据所设置的字线702与位线704之间的效率因子，对存储元件确定最佳各向异性轴716。假设字线702和位线704的效率(无论何种原因)并不相等，则存储元件700的各向异性轴716将不会如在传统旋转切换MRAM器件中那样沿相对于字线702和位线704所定义的正交x和y轴成45°的轴。而且，各向异性轴716的特定角度基于对特定效率因子产生每位最低功率的旋转角度来确定。一旦将其确定，根据本领域技术人员所熟知的选择性沉积，光刻处理，蚀刻，和磁场施加技术，来定义所需的各向异性轴。

尽管参照优选实施例或实施例描述了本发明，然而本领域技术人员理解，在不偏离本发明范围的条件下，可进行多种变化，以及以等效元件代替其中的元件。此外，在不偏离本发明主要范围的条件下，根据本发明的教导，可进行多种修改，以适应具体情况或材料。因此，本发明并不意在局限于所披露以最佳方式实现本发明的具体实施例，而是本发明还将包括在所附权利要求范围内所涵盖的所有实施例。

Claims

1.一种用于确定磁随机访问存储器器件的期望各向异性轴角度的方法，所述方法包括：

选择各向异性轴角度的多个最初值；

针对各向异性轴角度的每个所选最初值，确定磁随机访问存储器器件的具有夹在一对铁磁层之间的非磁性间隔层的三层结构的自由层的铁磁层的最小厚度，其中，所述最小厚度对应于磁随机访问存储器器件内单个单元的预定激励能量；

针对各向异性轴角度的每个所选最初值，确定出两倍于字场轴至切换点之间距离的所施加的沿位线方向的脉冲磁场幅度H_bit，并且确定所施加的沿字线方向的脉冲磁场幅度H_word的值以保持所述预定激励能量；以及

针对各向异性轴的每个所选最初值，计算每位所施加功率值，所述每位所施加功率值是所述H_word与所述H_bit的函数，并且与芯片电压以及用H_bit和H_word的效率分别定标的位场脉冲磁场幅度H_bit和字场脉冲磁场幅度H_word的值的总和成比例；

其中，所述期望各向异性轴角度为对应于每位最小功率值的所选各向异性轴角度，所述每位最小功率值是所述每位所施加功率值中最小的一个。

2.根据权利要求1的方法，其中，H_bit和H_word的确定可通过一组普适曲线来实现。

3.根据权利要求1的方法，其中，期望各向异性轴被配置用于磁随机访问存储器器件的旋转切换。

4.一种磁随机访问存储器器件，被设置用于与之相关的各向异性轴的旋转切换，包括：

字线；

位线；

设置在所述字线与所述位线之间的存储元件，所述存储元件还包括参考磁层堆和自由磁层堆，所述自由磁层堆具有夹在一对铁磁层之间的非磁性间隔层的三层结构；以及

所述自由磁层堆被形成为相对于所述字线和所述位线所定义的轴具有各向异性轴角度，其中，将所述各向异性轴角度取向成利于使器件每位所施加功率消耗最小，所述每位所施加功率是沿位线方向的脉冲磁场幅度H_word与沿字线方向的脉冲磁场幅度H_bit的函数，并且与芯片电压以及用H_bit和H_word的效率分别定标的位场脉冲磁场幅度H_bit和字场脉冲磁场幅度H_word的值的总和成比例。

5.根据权利要求4的磁随机访问存储器器件，其中：

所述字线设置在与所述位线正交的方向上；以及

所述各向异性轴角度相对于由所述字线和所述位线所定义的所述轴成非45°的角度。

6.根据权利要求4的磁随机访问存储器器件，其中，所述效率因子比1大。

7.根据权利要求4的磁随机访问存储器器件，其中，所述效率因子由所述字线与所述位线之间场生成效率的差异来确定。

8.根据权利要求4的磁随机访问存储器器件，其中，所述效率因子由所述字线所写入的位数N来确定，其中，N大于1。

9.根据权利要求4的磁随机访问存储器器件，其中，还将所述各向异性轴角度取向成利于使对应于所述自由磁层堆中至少一个铁磁层的厚度的每位功率消耗最小。

10.一种磁随机访问存储器器件，包括：

多个字线；

多个位线；

设置在所述字线与所述位线之间的其相应交叉处的多个存储元件，所述多个存储元件的每个还包括参考磁层堆和自由磁层堆，所述自由磁层堆具有夹在一对铁磁层之间的非磁性间隔层的三层结构；以及

所述自由磁层堆被形成为相对于所述字线和所述位线所定义的轴具有各向异性轴角度，其中，还将所述各向异性轴角度取向成利于使器件每位所施加功率消耗最小，所述每位所施加功率是沿位线方向的脉冲磁场幅度H_word与沿字线方向的脉冲磁场幅度H_bit的函数，并且与芯片电压以及用H_bit和H_word的效率分别定标的位场脉冲磁场幅度H_bit和字场脉冲磁场幅度H_word的值的总和成比例。

11.根据权利要求10的磁随机访问存储器器件，其中：

所述字线设置在与所述位线正交的方向上；以及

12.根据权利要求10的磁随机访问存储器器件，其中，所述效率因子比1大。

13.根据权利要求10的磁随机访问存储器器件，其中，所述效率因子由所述字线与所述位线之间的场生成效率的差异来确定。

14.根据权利要求10的磁随机访问存储器器件，其中，所述效率因子由所述字线所写入的位数N来确定，其中，N大于1。

15.根据权利要求10的磁随机访问存储器器件，其中，还将所述各向异性轴角度取向成利于使对应于所述自由磁层堆中至少一个铁磁层的厚度的每位功率消耗最小。