CN1886804B

CN1886804B - 用于磁存储器的数据保持指示器

Info

Publication number: CN1886804B
Application number: CN2004800346165A
Authority: CN
Inventors: 汉斯·M·B·贝维
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-11-24
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2024-11-09
Also published as: CN1886804A; US20070165450A1; KR20060106840A; US7286392B2; EP1690263B1; WO2005050664A1; JP2007514256A; EP1690263A1; TW200539190A

Abstract

本发明提供一种磁阻存储器元件(10)阵列(20)，它配备了至少一个数据保持指示器器件(50)。该至少一个数据保持指示器器件(50)包括第一磁性元件(51)和第二磁性元件(52)，这两个磁性元件中每个都有预置的磁化方向，所述第一和第二磁性元件(51，52)的预置磁化方向互不相同。所述第一和第二磁性元件(51，52)适合于将它们的磁化方向对准超过检测门限值的外加磁场的磁力线。根据本发明，选择至少一个数据保持指示器器件(50)中的参数，从而设置要检测的外加磁场的检测门限值。该至少一个数据保持指示器器件(50)具有指示所述阵列(20)的磁阻存储器元件(10)暴露在所述外加磁场中的状态或输出。

Description

用于磁存储器的数据保持指示器

技术领域

本发明涉及磁存储器，例如磁阻随机存取存储器(MRAM)更具体地说，涉及一种方法和一种器件用来指示这种磁存储器的数据保持，从而指示无差错磁存储器性能。

背景技术

目前，磁性或磁阻随机存取存储器(MRAM)被许多公司看作快闪存储器的替代品。除最快的静态RAM(SRAM)以外，它具有替代所有存储器的潜力。这使得MRAM非常适合作为片上系统(SoC)的嵌入式存储器。它是一种非易失性的存储器(NVM)器件，这意味着保持存储的信息不需要任何电力。相对于大多数其它类型的存储器来说，这一点被看作是一个优点。MRAM存储器尤其是能够用于“移动”应用上，例如智能卡、移动电话、PDA等。

MRAM概念最初是在美国的Honeywell公司发展起来的，它将磁性多层器件中的磁化方向用作信息存储器，而将得到的电阻差用于读出信息。与所有的存储器器件一样，MRAM阵列中的每个存储器元件都必须能够保存代表“1”或“0”的至少两个二进制状态。

存在不同种类的磁阻(MR)效应，其中巨型磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)是目前最重要的。GMR效应和TMR效应提供了实现只添加(a.o.)非易失性磁存储器的可能性。这些器件包括一叠薄膜，其中至少两层是铁磁性的或亚铁磁性的，并且由一层非磁性中间层分隔开。GMR是具有导体中间层结构的磁阻，TMR是具有电介质中间层结构的磁阻。如果在两个铁磁性或亚铁磁性膜中间放上非常薄的导体，那么，这种复合多层结构的有效平面电阻，在这些膜的磁化方向平行的时候最小，在这些膜的磁化方向反平行的时候最大。如果在两个铁磁性或亚铁磁性膜中间放上薄电介质中间层，那么，当这些膜的磁化方向平行的时候，将观测到膜之间的隧道电流最大(或者因此电阻最小)，当这些膜的磁化方向反平行的时候，膜之间的隧道电流最小(或者因此电阻最大)。

通常用上述结构从平行变到反平行磁化状态时电阻的百分比增量来测量磁阻。TMR器件能够比GMR结构提供更高百分比的磁阻，因此，具有更强信号和更高速度的潜力。与好的GMR单元中10～14％的磁阻相比，新近的结果表明隧道效应给出了超过40％的磁阻。

典型的MRAM器件包括排列成阵列的多个磁阻存储器元件10，例如磁隧道结(MTJ)元件，图1示出了其中的一个。图2示出了磁阻存储器元件10阵列20。MTJ存储器元件10一般包括一个分层结构，这种结构包括定位或固定的(pinned)难磁化层11、自由层12和它们之间的电介质隔层13。磁性材料的固定层11具有总是指向同一方向的磁矢量。自由层12用于信息存储。自由层12的磁矢量是自由的，但是被限制在自由层12的易磁化轴之内，这个易磁化轴主要是由磁阻存储器元件10的物理尺寸决定的。自由层12的磁矢量指向两个方向之一：与固定层11的磁化强度方向平行或反平行，该磁化强度方向和所述易磁化轴一致。MRAM的基本原理是以磁化强度方向为基础，将信息作为二进制数据例如“0”和“1”来存储。这就是为什么磁数据是非易失性的，不会改变，直到受到外部磁场的影响。

向磁阻存储器元件10中存储或写入数据是通过施加磁场，从而导致自由层12中的磁性材料磁化成两种可能的存储态之一完成的。当磁阻存储器元件10分层结构的两个磁层11、12被磁化为具有相同取向(平行)时，数据是两个二进制数值中的一个，例如“0”，另外，如果磁阻存储器元件10分层结构的两个磁层11、12被磁化为具有相反取向(反平行)，那么这个数据是另一个二进制数值，例如“1”。这些磁场是通过使电流流过在这些磁结构外部的电流线(字线14、14a、14b、14c和位线15、15a、15b、15c)而产生的。要注意，两个磁场分量是用来区分存储器元件10s和其它未被选中的存储器元件10的。

数据的读出是在施加磁场时，通过感测磁存储器元件10中的电阻变化未实现的。利用分层结构11、12、13的电阻随着磁取向是否平行而改变这一事实，该系统能够区分数据的两个二进制值，例如“0”或者“1”。用于读出所必需的磁场是通过使电流流过在这些磁结构外部的字线，或者流过这些磁结构本身(通过位线15和感测线16)而产生的。对选中存储器元件10s的读出是通过一个连接到过孔21的串联晶体管17，以避免寄生电流流过其它存储器元件10实现的。

最常见的MRAM设计是1T1MTJ(每1个MTJ单元10配1个晶体管17)类型的，如图1所示。包括多个磁阻存储器元件10的存储器阵列20包括正交的位线15a、15b、15c和字线14a、14b、14c，位线和字线分别在磁阻存储器元件10的上、下各自构图成两个金属层，在这个实例中元件10是磁隧道结(MTJ)叠层。位线15a、15b、15c与存储器元件10的难磁化轴平行，在易磁化轴方向产生磁场，而字线14a、14b、14c则在难磁化轴方向产生磁场。在某些设计中这种关系可以相反，即位线15可以产生难磁化轴磁场，而字线14可以产生易磁化轴磁场。对选中存储器元件10s的写入是通过同时施加电流脉冲通过相应位线15b和字线14a来完成的，这些位线和字线在这个存储器元件10s处交叉。得到的场的方向与存储器元件10s的自由层12的易磁化轴成45°角。在这个角度上，自由层12的切换场最弱，因而可以用最小的电流完成写入。

MRAM元件的切换曲线可以用它的所谓星形曲线30、31来表示，如图3所示。星形曲线30、31清楚地区分开了不同时间段的切换和非切换事件。星形曲线30是说明未被选中存储器元件10的10年稳定性的曲线，星形曲线31是说明未被选中存储器元件10的10纳秒稳定性的曲线。换句话说，如果在星形曲线30、31内施加磁场，磁存储器元件10不会切换，保持它们的状态分别达10年、10纳秒，而如果先前的状态与当前状态相反，那么超出星形线30、31的场就会切换磁存储器元件10状态。因此只有在两个磁场分量都存在的情况下，存储器元件10的位状态才能够切换。

如果字线14或位线15产生的磁场幅度相同，那么所得磁场的方向相对于选中存储器元件10s的自由层12的易磁化轴成45°角。在这个角度上，自由层12的切换场是最弱的，如图3中星形曲线30，31所示，因而可以用最小的电流完成写入。

一方面，被选中位线15b和字线14a中的电流必须以这样的方式选择，从而使得在与易磁化轴成45°的角度上，总磁场足以超出所选存储器元件10s的切换场，或者换句话说，所得场矢量32的末端在这个方向的星形曲线30、31之上或之外(见图3)。另一方面，为了防止不希望的重写，由所选位线15b产生的磁场的幅度必须明显地小于位于同一位线15b上的任何一个存储器元件10的易磁化轴方向EA上的切换场。同样，为了防止不希望的重写，由所选字线14a产生的磁场的幅度必须明显地小于位于同一字线14a上的任何一个存储器元件10的难磁化轴方向HA上的切换场。

图3还示出了稳定的写入场窗口33，也就是说，如果先前的状态是相反的，并且所得磁场矢量32落在这样的写入场窗口33之内，就可以切换所选存储器元件10s的磁化状态，其中的磁场矢量32是通过在所选位线15上施加第一个电流，在所选字线14上施加第二个电流得到的，但是所选字线14或位线15之一上未被选中的存储器元件10不会切换状态。

对于存储器元件10的阵列20，给星形曲线30、31一个统计解释。换句话说，可以赋予星形曲线30、31表示高斯形切换场分布的一个标准偏差参数σ。

切换场分布的一维表示如图4所示。作为一个实例，在图的左边用曲线40示出逻辑‘0’值的分布，在图的右边用曲线41示出逻辑‘1’值的分布。两个分布都有一个标准偏差参数σ，为简单起见，假设对于两个逻辑值标准偏差都相同。但是要注意，实际上，对于两个分布来说标准偏差参数σ不必相同。

有意或无意地暴露在强磁场下，MRAM单元以及一般的磁存储器都容易受损，这是它们的缺点。很高密度的MRAM阵列20对磁场特别敏感，主要是因为极小的磁阻存储器元件10只需要相对弱的磁场进行读/写操作，这些读/写操作要依靠自由层12中磁矢量的切换或感测。这些磁矢量则容易因为这种外部磁场而受到影响，并改变它们的磁取向。从逻辑‘0’和‘1’值的切换场分布角度，图4中的虚线42示出了保持位稳定允许的最大场范围。换句话说，如果最强外部场超过了这些限制，那么存储器元件中保存的数据至少有一些会改变。

一种解决方案是将存储器元件与外部磁场屏蔽开。但是，屏蔽也有其局限性，总是可以施加更强的磁场，这个磁场会在数据层附近产生外部磁场，这对于数据保持会有潜在的影响。

因此，希望检测是否超过了某个磁场门限，因为在这种磁场下磁存储器阵列中的数据完整性不能得到保证。

为了解决这个问题，可以设计专用磁场传感器并集成在芯片上，这个传感器能够检测任何磁场门限。但是，增加这个功能会导致额外的成本，例如由于在存储器器件制造期间额外的掩模步骤。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种磁场传感器，用于指示磁存储器元件阵列中的数据保持，相对于该存储器阵列的制造成本不会明显引入额外成本。

上述目的是通过本发明的方法和器件实现的。

本发明提供一种磁阻存储器元件阵列，该阵列提供至少一个数据保持指示器器件。该至少一个数据保持指示器器件包括第一磁性元件和第二磁性元件，每个磁性元件都有预置的磁化方向，所述第一和第二磁性元件的预置磁化方向互不相同。所述第一和第二磁性元件适合于将它们的磁化方向对准超过检测门限值的外加磁场的磁力线。根据本发明，选择所述至少一个数据保持指示器器件的参数，从而设置要检测的所述外加磁场的所述检测门限值。该至少一个数据保持指示器器件具有状态或输出来指示所述阵列的磁阻存储器元件暴露在所述外加磁场中。

该参数可以包括所述器件的几何形状，即它可以包括所述第一和第二磁性元件的形状、大小和纵横比中的任何一个或者它们的组合。

所述第一和第二磁性元件可以包括多个MRAM单元。所述MRAM单元具有自由磁层，并且根据本发明所述MRAM单元可以有它们的自由磁层预置的相反磁化方向。

所述至少一个数据保持指示器器件可以在其数据保持必须得到指示的磁存储器元件附近构建。多个数据保持指示器器件在空间上分布于所述阵列中的磁存储器元件中间。

木发明还提供一种集成电路，其中包括本发明的磁存储器元件阵列。所述集成电路还包括一个控制电路，在所述至少一个数据保持指示器器件的任何一个给出指示，说明所述阵列暴露在超过所述检测门限值的外加磁场中的时候，用于产生差错信号。

本发明还提供一种方法，用于指示磁存储器元件阵列的数据保持。该方法包括：提供至少一个数据保持指示器器件(50)，该器件(50)包括第一磁性元件(51)和第二磁性元件(52)，每个磁性元件都有预置的磁化方向，所述第一和第二磁性元件(51、52)的预置磁化方向互不相同，所述第一和第二磁性元件(51、52)适合于将它们的磁化方向对准超过检测门限值的外加磁场的磁力线；选择所述至少一个数据保持指示器器件(50)的参数，从而设置要检测的所述外加磁场的所述检测门限值，该至少一个数据保持指示器器件(50)具有指示所述阵列(20)的磁阻存储器元件(10)暴露在所述外加磁场中的状态或输出；以及当所述阵列暴露给超过所述检测门限值的外加磁场时，改变数据保持指示器器件的预置磁化方向。

通过以下详细说明，同时结合附图，本发明的这些和其它特征、功能和优点将显而易见，这些附图用举例的方法说明本发明的原理。这里的描述只是用作实例，并不是要限制本发明的范围。以下引用的标号涉及附图。

附图说明

图1A说明MRAM的写入原理，图1B说明MRAM的读出原理。

图2是已知的1T1MTJ MRAM设计的透视图，这种设计包括多个存储器元件和垂直的位线与字线。磁隧道结(MTJ)位于位线和字线的交叉区域。这些MTJ的底部电极用过孔连接到选择晶体管上，读取存储器元件时使用它们。

图3画出了一条星形曲线，该曲线示出了在MRAM中进行稳固写操作，得到稳定写入场窗口的准则。

图4说明磁阻存储器元件阵列具有代表性标准偏差参数σ的磁场分布。

图5是本发明一个实施例中数据保持指示器器件的侧视示意图。

图6示出了将工艺变化考虑在内的MRAM元件的切换场。

在不同的图中，相同的标号指的是相同或类似的元件。

具体实施方式

现在结合具体实施例并参考特定的附图来描述本发明，但是本发明不受它们的限制，而是仅仅由权利要求来限定。这些附图仅仅是示意性的，而不是限制性的。在这些附图中，为了进行说明，可能把有些元件的尺寸放大了，没有按比例画出。在本说明书和权利要求中用到术语“包括”，它并不排除其它的元件或步骤。当涉及单数名词时所用的不定冠词或定冠词，例如“一”或“一个”，“这个”，也包括多个该名词，除非有其它具体说明。

另外，在本说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等，是用来区别相似元件的，而不是描述次序或时一间顺序。需要明白的是这样使用的这些术语在适当的情况下是可以互换的，在这里描述的本发明的实施例可以按其它次序工作，不只是按这里的描述或图示。

此外，在本说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上面、下面等等，只是用于描述，未必是描述相对位置。需要明白的是这样使用的这些术语在适当的情况下是可以互换的，这里描述的本发明的实施例可以按其它的方向工作，不只是按这里的描述或图示。

根据本发明，提供有数据内容的磁存储器元件阵列(图中没有画出)，为这个阵列提供至少一个数据保持指示器器件50，该指示器器件50包括第一磁性元件51和第二磁性元件52。

磁阻存储器元件阵列是以行、列按逻辑组织的。在这里的所有描述中，术语“水平”和“垂直”用来提供一种坐标系统，仅仅用于进行说明。它们不必但可以涉及器件的实际物理方向。另外，术语“行”和“列”是用来说明联系在一起的阵列元件集合的。这种联系可以是行和列的笛卡尔阵列形式；但是，本发明并不限于这种形式。如同本领域技术人员明白的一样，列和行能够很容易地相互交换，因此本说明中这些术语也能相互交换。也可以构造非笛卡尔阵列，并且它们包括在本发明的范围以内。因此，术语“行”和“列”应当作广义解释。为了方便这种广义解释，采用了术语“按行、列逻辑组织”。这意味着存储器元件集合是以一种拓扑线性交叉方式联系在一起的；但是，其物理或拓扑布局不必如此。例如，行可以是圆，列可以是这些圆的半径，在本发明中将这些圆和半径描述为按行和列“进行逻辑组织”。同样，各种线的具体名称，例如位线和字线，或者行线和列线，都是为了方便说明以及涉及特定功能的通用名称，具体选择这些词不管怎样都不是为了限制本发明。应该明自，所有这些术语只是用于帮助更好地理解所描述的具体结构，而决不是要限制本发明。

根据本发明，数据保持指示器器件50包括两个相反磁化或偏置的磁性元件51、52。根据本发明的第一个实施例，这些相反地二进制磁化或偏置的磁性元件51、52可以用离散的磁性元件形成，例如通过两个具有相反或不同地极化的磁化方向的相关联的MRAM单元的组合，如图5所示。具有相反磁化方向意味着每个元件51、52都有至少两个稳定或准稳定磁化方向，并且两个元件51、52的布局使得一个元件51的磁化方向相对于另一个元件52是相反的。每个元件51、52的磁化方向都可以独立设置，或者二个磁化方向可以一起设置。例如，相关联的MRAM元件51、52的自由层12是相反地极化的，即如果第一个MRAM元件51的自由层12在一个方向上极化，那么第二个MRAM元件52的自由层12在相反的方向上极化。例如，第一个MRAM元件51可以有平行的固定层11和自由层12磁化方向，而第二个MRAM元件52可以有反平行的固定层11和自由层12磁化方向，如图5所示。在所示实例中相关联的MRAM元件51、52的固定层11具有相同的磁化方向，而自由层12具有不同的磁化方向。或者相关联的MRAM元件51、52的固定层11也可以具有相对的磁化方向(没有在图中表示出来)。因为，根据本发明，相关联的MRAM元件的自由层12也具有彼此相反的磁化方向，或者是第一个和第二个MRAM元件51、52的固定层11和自由层12可以是相反极化的，或者是第一个和第二个MRAM元件51、52的固定层11和自由层12可以具有平行极化。

可以将本发明的数据保持指示器器件50结合到MRAM元件阵列中去，邻近其数据保持状况必须得到指示的那些MRAM元件。

因为阵列中MRAM元件的小尺寸及其高密度，暴露在外部磁场中会引起这些元件的磁化方向发生改变。特别是MRAM元件的单元对方式的相对的磁化方向会受到干扰，并且产生邻近MRAM元件的自由层12的磁化方向的平行取向。当出现这种情况时，这个平行取向可能是沿着外部磁场的方向。剩余状态将是邻近MRAM元件的自由层12的磁化方向的平行取向。按照木发明的实施例描述的所述数据保持指示器器件50是基于上述原理的。但是，本发明不局限于这个实施例。

当数据保持指示器器件50暴露在强到足够触发该器件的外部磁场中时，该数据保持指示器器件50的磁性元件51、52的磁化方向会全部改变，从而更多地指向外部施加的磁场的方向。磁性元件51、52的磁化方向的有效改变随着外部磁场的增强而逐渐增大。根据本发明的第一个实施例，如果外加磁场超过了预置的门限值，数据保持指示器器件50的MRAM磁性元件51、52之一的自由层12的磁化方向会永久性地改变，为这个门限值制造了该数据保持指示器器件50的特殊磁性元件51、52。当外部磁场不再存在时，自由层12的磁化矢量会全部指向相同方向。这样一来，数据保持指示器器件50的两个MRAM元件51、52现在具有平行的磁化方向。

已知MRAM元件51、52的平行和反平行结构具有不同的电阻。根据自由层12相对于固定磁层11的相对极化是平行还是反平行，MRAM元件51、52的电阻是高或者低。因此，通过测量数据保持指示器器件50的两个MRAM元件51、52的电阻差，能够容易地确定它们的相互磁化方向。对于图5所示的实施例，显著的电阻差表明是正常状况，即MRAM元件之一51为平行结构，另一个MRAM元件52为反平行结构，这意味着MRAM元件的阵列还没有暴露在超过门限值的外部磁场中，为这个门限值而制造了MRAM元件51、52。数据保持指示器器件50的两个MRAM元件51、52之间没有明显的电阻差表明两个MRAM元件51、52具有相同极化的磁化方向，因此已经暴露在外部磁场中，外部磁场已经改变了数据保持指示器器件50的MRAM元件51、52中至少一个的自由层12中的磁化方向。或者，根据任何一个实施例(没有在附图中表示出来)，对于相反极化的固定磁层，在数据保持指示器器件的两个MRAM单元之间没有电阻差表明为正常状况，在数据保持指示器器件的两个MRAM单元之间有显著的电阻差表明该数据保持指示器器件、从而至少部分存储器阵列已经暴露在超过门限值的外部磁场中。

这样，通过确定数据保持指示器器件50两个磁性元件的极化方向，能够检测磁存储器阵列是否已经处在太强外部磁场的影响下，这种影响会导致磁存储器的数据保持不能得到保证。

其中有至少一个本发明的数据保持指示器器件50的IC，在工作期间能够定期检查数据保持指示器器件50的磁性元件51、52的极化方向，例如电阻。检测到数据保持指示器器件50两个磁性元件51、52的自由层12的相同极化方向时，例如根据其结构，通过测量两个MRAM元件51、52的电阻差或相同电阻，并因此检测到已经暴露在超过门限值的外部磁场的时候，根据具体应用的需要，该IC能够删除该阵列所有MRAM元件的数据，或者能够重新设置自己或者阻止它的功能。该IC还包括控制电路，在所述至少一个数据保持指示器器件(50)的任何一个给出所述阵列暴露在超过所述检测门限值的外加磁场中的指示时，用于产生差错信号。

在木发明的另一个实施例中，将本发明的多个数据保持指示器器件50在空间上分布于阵列的MRAM元件之间。

本发明提供一种数据保持指示器器件50来检测是否暴露在超过门限值的外部磁场中，能够容易地将这个数据保持指示器器件50加入到嵌入式或独立的MRAM阵列中。特别是在数据的完整性至关重要的应用里，例如SoC中嵌入式MRAM里操作系统的程序代码，采用本发明的数据保持指示器器件50可能是很重要的。而且，它提供对无意识地暴露在外部磁场情况的检测，例如来自永久磁铁或者智能卡上磁条的写入设备的磁场。本发明还能减少在MRAM IC中采用良好磁屏蔽的需要，因为现在能够检测无意识地暴露在强磁场里的情况，在正常使用时无意识地暴露在强磁场里是很少见的。

不能保证数据保持的所述门限磁场可以通过适当地选择数据保持指示器器件50的磁性元件51、52的几何形状来加以精细调整。在理想情况下，每一个磁性元件51、52的星形曲线主要是通过两个参数设置的：形状各向异性，以及从固定层11到自由层12的总耦合场。

对于小的磁隧道结，如同现在典型地使用的那些，能量平衡中决定性的各向异性项是通过形状设置的，这一形状导致一个各向异性场H_k，代表星形曲线的大小。在理想情况下，星形曲线会到达场H_k的基准易磁化轴和难磁化轴(图3)。

实质上，形状各向异性与器件的最小尺寸w(宽度)成反比，与纵横比AR成正比(AR＝l/w，l＝长度)。磁性元件51、52的形状本身也有一些影响，例如椭圆形或菱形元件。因为对于任何形状都能实现这一点，因此在本说明中不明确考虑形状。计算任意形状的各向异性场属于本领域技术人员的技能范围。

对于椭圆形，各向异性场H_k为：

H_k＝4π(t·M)(η_y-η_x)/w，

其中(t·M)是自由层12的厚度t与饱和磁化强度M的乘积，(η_y-η_x)是纵横比AR＝l/w的单调上升函数，当l/w是1(圆形)时值为0，当l/w是∞时值为1。

固定层11和自由层12之间的耦合场可能导致星形曲线31沿着易磁化轴EA移动。理想情况下不存在这种移动，所以‘0’和‘1’的切换场相对于原点对称(图4)。该耦合场是两个不同分量的和：Néel耦合与磁杂散场耦合。Néel耦合不依赖于几何形状，因此是固定的。但是磁杂散场耦合由几何形状确定，因为磁杂散场耦合N～w^α/l，其中α近似等于0.2。

为了用预置的门限磁场值设计数据保持指示器器件50的第一和第二磁性元件51、52，可以使用下面描述的方法。例如，希望检测施加给存储器阵列的超过门限值的任何磁场，该门限值低于阵列中MAM元件平均切换场6σ。对于高斯分布，这意味着在这个限制下10⁹个元件中只有1个会切换。根据有效切换场分布，能够计算出这个场，并且将它用作数据保持指示器器件50的目标门限场值。同样对于数据保持指示器器件50，可以将切换门限中的统计分布考虑在内。

可以通过映射星形曲线来找到几何形状的适当选择，这个几何形状主要由长度l和宽度w给定，星形曲线主要由磁性元件51、52在要求的门限曲线上的形状各向异性确定。与此同时，对于MRAM阵列中存储器单元的给定磁隧道结叠层，试图通过由杂散场耦合消除Néel耦合来遵从星形曲线的对称性。第一条准则是最重要的。后面一个可以放松并可以导致数据保持指示器器件50的星形曲线略微不对称。只要这个不对称性小于其它容许极限(margin)，比如工艺参数引起的容许极限，这样做就是允许的。

只是为了说明的目的，给出下面的数字实例。在一个磁阻元件中，自由层12是厚度为5nm的NiFe层，固定层是人造反铁磁性叠层(AAF)，包括IrMn/CoFe/Ru/CoFe，两个CoFe层相应的厚度是3nm和2.65nm。如同所表明的，CoFe层中的一个固定到一个IrMn的天然反铁磁层上。将磁阻存储器阵列中元件的大小选择为200×100nm²。

用改进的Stoner-Wohlfarth方法来描述具有N个磁层的所述磁性多层，其中每个层是由磁化角θ_i以及一些参数表示的，比如层厚度、饱和磁化、磁性晶体各向异性、大小和几何形状。相邻铁磁层之间的层间耦合可以用界面能J_i表示。系统总能量可以作为不同层的不同能量项之和计算出来，这些能量项有磁性晶体的各向异性E_A、外部赛曼能量E_H和去磁能量E_S，再加上不同界面上的耦合能量。

E_{Tot} = Σ_{i = 1}^{N} (E_{A} + E_{H} + E_{S}) + Σ_{i = 1}^{N - 1} E_{i}

在静态平衡计算中，在解决了N维优化问题后，能够发现一组不同层的磁化方向为(局部)最小量。该平衡配置由所述组N个耦合方程给出：

\frac{&PartialD; E_{tot}}{&PartialD; θ_{i}} = 0, i = 1, . . . . . ., N

稳定条件是矩阵M的所有特征值都应该是正的：

M_{ij} = \frac{{&PartialD;}^{2} E_{tot}}{&PartialD; θ_{i} &PartialD; θ_{j}}

所述耦合的典型值如下：

IrMn-CoFe -0.25mJ/m²

CoFe-CoFe -0.90mJ/m²

CoFe-NiFe +0.01mJ/m²

从计算中能够找出理想情况的切换场，即对于σ＝0，或者因此在没有任何工艺变化的情况下，可以将这个切换场标记为将工艺变化考虑在内的所谓‘平均’切换场。这个平均切换场在图6中用曲线60表示。假设σ为某个值，能够从实验数据中导出这个值，这些实验数据是用相同处理方法处理的多个存储器元件的测量结果。在这个实例中，假设在星形曲线60中6σ准则如曲线61所示，因为可以从不同的几何形状上计算得到，该曲线对应于280×150nm²的器件的预期曲线。于是如果几何形状变成更大的元件和稍小的纵横比，就能够看到会发生什么。考虑到工艺变化对数据保持指示器器件50本身可能的影响，可以选择略微再放大一些，例如300×160nm²或者320×180nm²。要注意，纵横比随着检测器件的尺寸而减小，以便保持这个检测器件中的对称性。

能够引起阵列的磁存储器元件中保存的那些位之一翻转的任何外部磁场，都会引起数据保持指示器器件50的至少一个预置磁检测元件51、52中发生切换，只要这两个对准都是这组元件51、52的一部分。此外这些元件51、52会记住这个信息，因为它们能够保持它们的存储器状态而不必施加任何外部电力。

应该明白，尽管在这里针对本发明的器件描述了优选实施例、具体结构和配置以及材料，但是在不背离本发明的范围和精神的基础上，可以对形式和细节进行各种改变和修改。

Claims

1.一种磁阻存储器元件(10)阵列(20)，提供有至少一个数据保持指示器器件(50)，该器件(50)包括第一磁性元件(51)和第二磁性元件(52)，每个磁性元件都有预置的磁化方向，所述第一和第二磁性元件(51、52)的预置磁化方向互不相同，所述第一和第二磁性元件(51、52)适合于将它们的磁化方向对准超过检测门限值的外加磁场的磁力线，其中选择所述至少一个数据保持指示器器件(50)的参数，从而设置要检测的所述外加磁场的所述检测门限值，该至少一个数据保持指示器器件(50)具有指示所述阵列(20)的磁阻存储器元件(10)暴露在所述外加磁场中的状态或输出。

2.如权利要求1所述的阵列(20)，其中所述参数包括所述第一和第二磁性元件(51、52)的形状、大小和纵横比中的任何一个或者它们的组合。

3.如权利要求1所述的阵列(20)，其中所述第一和第二磁性元件(51、52)包括多个MRAM单元。

4.如权利要求3所述的阵列(20)，所述多个MRAM单元具有自由磁层(12)，其中所述多个MRAM单元的自由磁层(12)的预置磁化方向是彼此相反的。

5.如权利要求1所述的阵列(20)，其中所述至少一个数据保持指示器器件(50)是在其数据保持必须得到指示的所述磁阻存储器元件(10)附近构建的。

6.如权利要求1所述的阵列(20)，包括多个数据保持指示器器件(50)，在空间上分布于所述阵列(20)中的所述磁阻存储器元件之间。

7.一种集成电路，包括如权利要求1所述的磁阻存储器元件(10)阵列(20)。

8.如权利要求7所述的集成电路，还包括控制电路，在所述至少一个数据保持指示器器件(50)的任何一个给出所述阵列暴露在超过所述检测门限值的外加磁场中的指示时，用于产生差错信号。

9.一种用于指示磁阻存储器元件(10)阵列(20)的数据保持的方法，该方法包括：

提供至少一个数据保持指示器器件(50)，该器件(50)包括第一磁性元件(51)和第二磁性元件(52)，每个磁性元件都有预置的磁化方向，所述第一和第二磁性元件(51、52)的预置磁化方向互不相同，所述第一和第二磁性元件(51、52)适合于将它们的磁化方向对准超过检测门限值的外加磁场的磁力线；

选择所述至少一个数据保持指示器器件(50)的参数，从而设置要检测的所述外加磁场的所述检测门限值，该至少一个数据保持指示器器件(50)具有指示所述阵列(20)的磁阻存储器元件(10)暴露在所述外加磁场中的状态或输出；以及

当所述阵列暴露给超过所述检测门限值的外部磁场时，改变所述数据保持指示器器件的预置磁化方向。