CN1909109B - 用于转换具低电流的磁阻式随机存取存储器的磁矩的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于写入磁阻式随机存取存储器(MRAM)装置的存储器单元的方法连续包括：在第一方向提供第一磁场；在大体上与所述第一方向正交的第二方向提供第二磁场；关闭所述第一磁场；在与所述第一方向相反的第三方向提供第三磁场；关闭所述第二磁场；和关闭所述第三磁场。一种用于转换MRAM存储器单元中的磁矩的方法包括：在与偏压磁场的方向形成钝角的方向提供磁场。一种用于读取MRAM装置的方法包括：部分地转换参照存储器单元中的磁矩以产生参照电流；测量通过待读取的存储器单元的读取电流；和比较所述读取电流与所述参照电流。
Description
技术领域
本发明一般涉及一种写入磁阻式随机存取存储器(MRAM)装置的方法。
背景技术
已提出磁阻式随机存取存储器(MRAM)作为如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)和闪存的常规存储器装置的替代物。MRAM使用磁阻效应存储数据，磁阻效应指其中材料的电阻随所述材料所承受的磁场而变化的现象。与这些常规存储器相比，MRAM由于其速度快、集成密度高、功率消耗低、耐辐射(radiation hardness)和耐久性而是有利的。
Savtchenko等人的第6,545,906号美国专利揭示了一种常规的MRAM和其写入方法。第6,545,906号美国专利的图1-4、图7-8、图5-6在本文中分别再现为图1-8。
图1显示MRAM阵列3的存储器单元10。存储器单元10夹在字线20与位线30之间。字线20和位线30彼此正交，并包括导电材料使得电流可从其通过。
存储器单元10包括第一磁性区域15、穿隧障壁(tunneling barrier)16和第二磁性区域17，其中穿隧障壁16夹在第一磁性区域15与第二磁性区域17之间。第一磁性区域15具有合成反铁磁(synthetic anti-ferromagnetic，SAF)结构并包括一个三层结构18，反铁磁耦合间隔层65夹在两个铁磁层45与55之间。反铁磁耦合间隔层65具有厚度86，且铁磁层45和55分别具有厚度41和51。第二磁性区域17具有一个三层结构19，反铁磁耦合间隔层66夹在两个铁磁层46与56之间。反铁磁耦合间隔层66具有厚度87，且铁磁层46和56分别具有厚度42和52。反铁磁耦合间隔层65的厚度86使得铁磁层45和55反铁磁耦合，即，铁磁层45的磁矩向量57与铁磁层55的磁矩向量53彼此反平行。类似地，反铁磁耦合间隔层66的厚度87使得铁磁层46和56反铁磁耦合，即，铁磁层46的磁矩向量58与铁磁层56的磁矩向量59彼此反平行。图1还显示磁性区域15的合磁矩向量40，即铁磁层45的磁矩向量57与铁磁层55的磁矩向量53的结合；和磁性区域17的合磁矩向量50，即铁磁层46的磁矩向量58与铁磁层56的磁矩向量59的结合。
图2显示相对于字线20和位线30的方向的存储器单元10中的磁矩。在图2中，显示字线20沿x轴水平运行，且显示位线30沿y轴垂直运行。三层结构18具有两个易轴：与正x轴方向和正y轴方向两者成45°角的正易轴(positive easy axis)；和与负x轴方向和负y轴方向两者成45°角的负易轴(negative easy axis)。易轴被界定为在缺少外磁场或偏压场(biasing field)的情况下一种各向异性材料的磁偶极矩的固有定向。因此，铁磁层45的磁矩向量57处于正易轴方向，且铁磁层55的磁矩向量53处于负易轴方向。因此，磁性区域15的合磁矩向量40处于正易轴方向或负易轴方向。图2显示磁性区域15的合磁矩向量40处于负易轴方向。尽管图2中未显示，但假设铁磁层46的磁矩向量58处于负易轴方向，铁磁层56的磁矩向量59处于正易轴方向，且磁性区域17的合磁矩向量50处于负易轴方向。
一般而言，磁性区域15为自由铁磁区域(free ferromagnetic region)，且磁性区域17为钉扎铁磁区域(pinned ferromagnetic region)，即，当施加外磁场时，磁性区域15中的磁矩自由旋转，而当施加中等的外磁场时，磁性区域17中的磁矩不旋转。
穿隧障壁16的电子穿隧障壁和因此存储器单元10的电阻随磁场变化。例如，当铁磁层55的磁矩向量53与铁磁层46的磁矩向量58彼此平行时，穿隧障壁16具有低电子穿隧障壁，且存储器单元10具有低电阻。当铁磁层55的磁矩向量53与铁磁层46的磁矩向量58彼此反平行时，穿隧障壁16具有高电子穿隧障壁，且存储器单元10具有高电阻。因此，通过改变磁性区域15的磁矩向量，可将位数据存储在存储器单元10中，其高和低电阻分别界定位“1”或“0”，或相反。
为了读取存储器单元10，可将电压施加于存储器单元10上，并感测通过其的电流。存储器阵列3可包括至少一个具有与存储器单元10相同的结构的参照存储器单元。所述参照存储器单元可具有以某一方式设置且在存储器阵列3的操作期间未改变的磁矩。可将施加于存储器单元10上的相同电压施加于所述参照存储器单元，并感测通过所述参照存储器单元的电流，且将所述电流用作参照电流。接着，将通过存储器单元10的电流与参照电流比较，且差异指示存储器单元10是否具有存储在其中的“0”或“1”。
提供于字线20和位线30中的电流感应磁场。例如，参照图1和图2，通过字线20的字线电流60(IW)感应字线磁场80(HW)，且通过位线30的位线电流70(ID)感应位线磁场90(HD)。磁场HW和HD的强度分别与字线电流IW和位线电流ID成比例。假设字线20在存储器单元10之上，且位线30则在存储器单元10之下。因此，当字线电流IW为正时，HW在存储器单元10的平面中处于正y轴方向；当位线电流ID为正时，HD在存储器单元10的平面中处于正x轴方向。
在磁场HW和HD下，铁磁层45和55中的电子自旋翻转(称为“自旋翻转(spin flop)”)，且磁矩向量57和53可旋转。因此，合磁矩向量40也旋转，当合磁矩向量40旋转180°时，铁磁层55的磁矩向量53和铁磁层46的磁矩向量58彼此反平行，且存储器单元10叙述为从“0”转换到“1”或从“1”转换到“0”，这取决于如何界定“0”和“1”。
图3显示不同磁场HW和HD下的三层结构18的仿真转换行为，其中HW和HD由图4中所示的序列100提供的字线电流IW的脉冲和位线电流ID的脉冲产生。特定而言，如图4中所示，在时间t0，IW和ID均为0；在时间t1，供应IW；在时间t2，也供应ID；在时间t3，关闭IW；在时间t4，也关闭ID。在图3中，x轴为以奥斯特计的字线磁场HW的振幅，且y轴为以奥斯特计的位线磁场HD的振幅。
图3显示存储器单元10的三个操作区域。首先，在“非转换”区域92中，IW和ID中的一个或两个较小，且HW和HD的相应的一个或两个较弱。存储器单元10不转换状态。
存储器单元10的第二操作区域称为“直接”写入区域，其中IW和ID较大，且HW和HD较强。当以序列100施加时，IW和ID直接写入存储器单元10。例如，如果IW和ID为正，那么以序列100提供IW和ID后，将位“1”写入存储器单元10，而不管存储器单元的初始状态是“0”还是“1”。类似地，如果IW和ID为负，那么以序列100提供IW和ID后，将位“0”写入存储器单元10。在直接写入的情况下，磁矩向量53与57(即，合磁矩向量40)之间的不平衡较显著。
图5a-5e和图6a-6e说明直接写入存储器单元10的实例。
图5a-5e说明通过施加正字线电流IW和正位线电流ID直接将“1”写入具有初始状态“0”的存储器单元10的实例.假设铁磁层55的磁矩向量53处于负易轴方向，那么铁磁层45的磁矩向量57处于正易轴方向，且磁矩向量53比磁矩向量57强.也假设铁磁层46的磁矩向量58处于负易轴方向，那么铁磁层56的磁矩向量59处于正易轴方向，且磁矩向量58比磁矩向量59强.进一步假设，当铁磁层55的磁矩向量53与铁磁层46的磁矩向量58彼此平行时，存储器单元10具有存储在其中的位“0”，且当铁磁层55的磁矩向量53与铁磁层46的磁矩向量58彼此反平行时，存储器单元10具有存储在其中的位“1”.
如图5a所示，在时间t0，铁磁层45的磁矩向量57处于正易轴方向。铁磁层55的磁矩向量53处于负易轴方向。因为假设磁矩向量53比磁矩向量57强，所以合磁矩向量40也处于负易轴方向。存储器单元10使位“0”存储于其中。
参照图5b，在时间t1提供字线电流IW，在正y轴方向产生字线磁场HW。因为磁矩易于与外磁场对准以降低系统的能量，所以磁矩向量53和57易于朝向HW的方向(即，正y轴方向)旋转。然而，由于铁磁层45与55之间的反铁磁耦合，且还由于磁矩向量53比磁矩向量57强的事实，所以磁矩向量53和57以顺时针方向旋转，合磁矩向量40朝向外磁场的磁矩向量的方向(即，正y轴方向)旋转。
参看图5c，在时间t2提供正位线电流ID，从而在正x轴方向产生位线磁场HD。假设HW与HD具有相同的量值，那么整个外磁场的磁场向量处于正易轴方向。由于上述相同原因，磁矩向量53和57以顺时针方向进一步旋转，且合磁矩向量40朝向外磁场的磁矩向量的方向旋转。
参看图5d，在时间t3关闭字线电流IW。外磁场在正x轴方向仅具有一个分量，即HD。磁矩向量53和57及合磁矩向量40进一步以顺时针方向旋转。磁矩向量53现在较接近正易轴，且磁矩向量57较接近负易轴。合磁矩向量40接近正x轴。
最后，如图5e所示，在时间t4也关闭位线电流ID。外磁场为零。磁矩向量53和57与易轴对准，因为在时间t4之前，磁矩向量53较接近正易轴，且磁矩向量57较接近负易轴，所以磁矩向量53与正易轴对准，且磁矩向量57与负易轴对准。换句话说，磁矩向量53和57从其在图5a中的初始状态旋转了180°。结果，磁矩向量53与铁磁层46的磁矩向量58反平行，且将位“1”写入存储器单元10。
图6a-6e说明直接将“1”写入具有初始状态“1”的存储器单元10的实例。如图6a所示，在时间t0，磁矩向量53处于正易轴方向。磁矩向量57处于负易轴方向。合磁矩向量40处于正易轴方向。存储器单元10使位“1”存储于其中。
如图6b所示，在时间t1提供字线电流IW，从而在正y轴方向产生字线磁场HW。因为磁矩向量53较强，所以将仅存在磁矩向量53和57的最小顺时针旋转。但是合磁矩向量40朝向HW逆时针旋转。
如图6c所示，在时间t2提供正位线电流ID，从而在正x轴方向产生位线磁场HD。磁矩向量53和57以顺时针方向旋转，且合磁矩向量40以处于正易轴方向的外磁场的磁场向量的方向旋转。
如图6d所示，在时间t3关闭字线电流IW。外磁场在正x轴方向仅具有一个分量，即HD。合磁矩向量40进一步朝向HD顺时针旋转。因为在时间t4之前，磁矩向量53较接近正易轴，且磁矩向量57较接近负易轴，所以磁矩向量53朝向正易轴逆时针旋转，且磁矩向量57朝向负易轴逆时针旋转。
接着，如图6e所示，当在时间t4也关闭位线电流ID时，磁矩向量53和57返回到其原始状态并沿易轴对准。结果，将位“1”写入存储器单元10中。
可提供负电流IW和ID以将位“0”写入存储器单元10中。除磁矩的极性相反之外，在直接写入位“0”期间，存储器单元10的行为类似于上文参看图5a-5e和图6a-6e所描述的那些行为，且因此在本文中未加描述。
当IW和ID更大且HW和HD更强时，如图3所示，存储器单元10在称作“切换(toggle)”区域97的第三区域中操作。当以序列100提供较大正电流IW和ID时，存储器单元10的状态转换，即初始状态“0”转换为“1”，且初始状态“1”转换为“0”。所述写入方法称为“切换写入”。在切换写入的情况下，因为提供较强的HW和HD，所以磁矩向量53与57(即，合磁矩向量40)之间的不平衡不显著或微弱。
图7a-7e说明切换写入具有初始状态“1”的存储器单元10的实例。
如图7a所示，在时间t0，铁磁层55的磁矩向量53处于正易轴方向。铁磁层45的磁矩向量57处于负易轴方向。微弱的合磁矩向量40处于正易轴方向。存储器单元10使位“1”存储于其中。
如图7b所示，在时间t1提供正字线电流IW，从而在正y轴方向产生较强的字线磁场HW。因为HW很强，所以磁矩向量53和57顺时针旋转，且合磁矩向量40与HW的方向大体对准。特定而言，磁矩向量53和57现在指向x轴上方。
如图7c所示，在时间t2提供正位线电流ID，从而在正x轴方向产生较强的位线磁场HD。磁矩向量53和57以顺时针方向进一步旋转，且合磁矩向量40与处于正易轴方向的外磁场的磁场向量的方向大体对准。磁矩向量53现在处于正x轴与正x轴与负y轴之间的角的平分线之间。磁矩向量57现在处于正y轴与负x轴与正y轴之间的角的平分线之间。
如图7d所示，在时间t3关闭字线电流IW。外磁场在正x轴方向仅具有一个分量，即HD。合磁矩向量40大体上与HD对准。磁矩向量53和57进一步以顺时针方向旋转。磁矩向量53现在较接近负易轴。磁矩向量57现在较接近正易轴。
接着，如图7e所示，在时间t4也关闭位线电流ID。因为在时间t4之前，磁矩向量53较接近负易轴，且磁矩向量57较接近正易轴，所以磁矩向量53与负易轴对准，且磁矩向量57与正易轴对准。结果将位“0”写入存储器单元10中。
当存储器单元10具有初始状态“0”时，具有较大正电流IW和ID的切换写入将位“1”写入存储器单元10中。图8a-8e显示当如图4中所示以序列100提供IW和ID时，磁矩向量40、53和57随时间的变化。除磁矩的极性相反之外，在切换写入位“1”期间，存储器单元10的行为类似于上文参看图7a-7e所描述的那些行为，且因此在本文中未加描述。
因为在切换写入期间，存储器单元10的状态总是变化，所以在执行切换写入之前必须读取存储器单元10的初始状态，并将其与待写入的状态比较。如果初始状态与待写入的数据相同，那么不需要切换写入。如果初始状态与待写入的数据不同，那么执行切换写入。因此，如与直接写入相比，切换写入需要额外的逻辑电路。然而，因为当所述存储器单元的状态需要变化时，切换写入仅写入存储器单元，所以切换写入消耗较少的功率。
因为切换写入需要较强的外磁场HW和HD，所以需要较大的写入电流.为减轻这一问题，Engel等人在第6,633,498号美国专利中提出了调整磁性区域17的磁矩向量50的量值以产生边缘(fringe)(或杂散(stray))磁场作为三层结构18中的偏压磁场HBIAS，使得仅较低的磁场HW和HD需要切换写入存储器单元10。第6,663,498号美国专利的图4和图5在本文中再现为图9和图10。如图9和图10所示，如果正HW和HD用于写入存储器单元10，那么处于正x轴方向与正y轴方向之间的方向的偏压磁场HBIAS降低所需的HW和HD的值。类似地，如果负HW和HD用于写入存储器单元10，那么处于负x轴方向与负y轴方向之间的方向的偏压磁场HBIAS降低所需的HW和HD的值。因此，需要较低的电流IW和ID。所述偏压磁场HBIAS越强，电流IW和ID可越低。
然而，较强的HBIAS可导致写入失败。特定而言，当HBIAS较强时，铁磁层45和55的末端域(end domain)的磁化不规则，且存储器单元10可能不能响应写入电流IW和ID而转换。图11a-11e说明当HBIAS较强时切换写入方法不能将位“1”写入具有初始状态“0”的存储器单元10中的实例。
图11a显示在时间t0时存储器单元10的状态。在正易轴方向产生较强的HBIAS。如图11a所示，因为较强的HBIAS，所以铁磁层45和55的末端域中的磁化不规则使得其磁矩向量57和53可逆时针旋转且分别靠近或通过y轴。接着，如图11b所示，在时间t1提供正字线电流IW，从而在正y轴方向产生字线磁场HW。因为磁矩向量53接近正x轴且磁矩向量57接近负x轴，且HW和HBIAS的结合处于正y轴与正x轴之间的方向，所以磁矩向量53和57进一步逆时针旋转。如图11c所示，在时间t2提供正位线电流ID，从而在正x轴方向产生位线磁场HD。相应地，磁矩向量53和57开始以顺时针方向旋转。如图11d所示，在时间t3，当关闭字线电流IW时，磁矩向量53和57进一步以顺时针方向旋转。现在磁矩向量53较接近负易轴，且磁矩向量57较接近正易轴。如图11e所示，在时间t4，当也关闭位线电流ID时，磁矩向量53和57返回到如图11a中的其原始位置。因此，由于较强的偏压场HBIAS，因此磁矩向量53和57在HW的情况下以错误方向旋转，且以图4的序列100提供IW和ID后，存储器单元10不能转换。
当存储器单元10按比例缩小且磁性区域15和17很小时，因为铁磁区域15和17中的磁场的不规则性增加，所以上述问题更糟。结果，难以将写入电流IW和ID减少到令人满意的水平。
发明内容
符合本发明的实施例，一种用于写入磁阻式随机存取存储器(MRAM)装置的存储器单元的方法包括：在第一方向提供第一磁场；在第二方向提供第二磁场，所述第二方向大体上与所述第一方向正交；关闭所述第一磁场；在第三方向提供第三磁场，所述第三方向与所述第一方向相反；关闭所述第二磁场；和关闭所述第三磁场。
符合本发明的实施例，一种用于写入磁阻式随机存取存储器(MRAM)装置的存储器单元的方法包括：在第一方向提供第一磁场；在第二方向提供第二磁场，所述第二方向大体上与所述第一方向正交；关闭所述第一磁场；在第三方向提供第三磁场，所述第三方向与所述第一方向相反；关闭所述第二磁场；在第四方向提供第四磁场，所述第四方向与所述第二方向相反；关闭所述第三磁场；和关闭所述第四磁场。
符合本发明的实施例，提供一种用于写入磁阻式随机存取存储器(MRAM)装置的方法.所述MRAM装置包括多个存储器单元，每一个对应于多个字线中的一个和多个位线中的一个.写入MRAM装置的方法包括通过以下步骤写入存储器单元中的一个：在第一方向提供第一磁场；在第二方向提供第二磁场，所述第二方向大体上与所述第一方向正交；关闭所述第一磁场；在第三方向提供第三磁场，所述第三方向与所述第一方向相反；关闭所述第二磁场；和关闭所述第三磁场.
符合本发明的实施例，还提供一种用于写入磁阻式随机存取存储器(MRAM)装置的方法。所述MRAM装置包括多个存储器单元，每一个对应于多个字线中的一个和多个位线中的一个。写入MRAM装置的方法包括通过以下步骤写入存储器单元中的一个：在第一方向提供第一磁场；在第二方向提供第二磁场，所述第二方向大体上与所述第一方向正交；关闭所述第一磁场；在第三方向提供第三磁场，所述第三方向与所述第一方向相反；关闭所述第二磁场；在第四方向提供第四磁场，所述第四方向与所述第二方向相反；关闭所述第三磁场；和关闭所述第四磁场。
符合本发明的实施例，一种用于转换磁阻式随机存取存储器(MRAM)装置的存储器单元中的磁矩的方法包括在第一方向提供第一磁场，其中所述第一方向与存储器单元所承受的偏压磁场的方向形成钝角。
符合本发明的实施例，一种用于读取磁阻式随机存取存储器(MRAM)装置的方法包括：部分转换参照存储器单元中的磁矩以产生参照电流；测量通过待读取的存储器单元的读取电流；和比较所述读取电流与所述参照电流以确定待读取的存储器单元的状态。
本发明的额外特征和优点将部分地阐述于以下描述中，且部分地从所述描述显而易见，或可通过实践本发明而了解。本发明的特征和优点将借助于所附权利要求书中特定指出的要素和结合而实现并达到。
应了解，前述一般性描述和以下详细描述均是示范性和解释性的，且希望提供如所主张的对本发明的进一步解释。
附图说明
图1显示一种常规磁阻式随机存取存储器(MRAM)装置的存储器单元。
图2说明图1的存储器单元中的磁矩。
图3说明图1的存储器单元的仿真转换行为。
图4显示用于写入图1的存储器单元的写入电流的脉冲的序列。
图5a-5e说明直接写入图1的存储器单元的一实例。
图6a-6e说明直接写入图1的存储器单元的另一实例。
图7a-7e说明切换写入图1的存储器单元的一实例。
图8a-8e说明切换写入图1的存储器单元的另一实例v
图9和图10说明偏压磁场对切换写入图1的存储器单元的影响。
图11a-11e说明切换写入图1的存储器单元的常规方法的问题。
图12显示待通过符合本发明的实施例的方法存取的MRAM的存储器单元。
图13说明图12的存储器单元中的磁矩。
图14a-14d说明符合本发明的第一实施例的转换图12的存储器单元中的磁矩的一实例。
图15说明符合本发明的第二实施例的用于写入图12的存储器单元的电流脉冲的序列.
图16a-16f说明符合本发明的第二实施例的切换写入图12的存储器单元的一实例。
图17显示符合本发明的第三实施例的用于写入图12的存储器单元的电流脉冲的序列。
图18a-18g说明符合本发明的第三实施例的切换写入图12的存储器单元的一实例。
图19显示符合本发明的第四实施例的用于产生待用于读取MRAM装置中的存储器单元的参照电流的电流脉冲的序列。
图20a-20f说明符合本发明的第四实施例的使用图12的存储器单元产生参照电流的一实例。
主要元件标记说明
3：MRAM阵列
10：存储器单元
15：第一磁性区域
16：穿隧障壁
17：第二磁性区域
18、19：三层结构
20、30：字线
50、40、53、57、58、59：磁矩向量
45、46、55、56：铁磁层
60：字线电流
65、66：反铁磁耦合间隔层
70：位线电流
80：字线磁场
41、42、51、52、86、87：厚度
90：位线磁场
92、97：区域
200：MRAM装置
202：存储器单元
204：写入位线
206：写入字线
208：钉扎磁性区域
210：自由磁性区域
212：穿隧障壁
214、216、220、222：铁磁层
218、224：反铁磁耦合间隔层
226：反铁磁层
228：缓冲层
230：底部电极
232、236：介电层
234：上部电极
238：晶体管
240：传感放大器
t、t0、t1、...、t4、t5、t6：时间
HBIAS：偏压磁场
EP：易轴
E+：正易轴
E-：负易轴
HC：磁矩
IW2：正字线电流
IW1：负字线电流
HW1、HW2：字线磁场
ID1：正位线电流
ID2：负位线电流
HD1、HD2：位线磁场
A、B、...、F：磁矩向量
IW：字线电流
HW：字线磁场
HD：位线磁场
ID：位线电流
具体实施方式
现在将详细参看本发明的实施例，其实例在附图中说明。在可能的情况下，整个附图中相同标记用于指代相同或类似部分。
符合本发明的实施例，提供用于转换具有低电流的磁阻式随机存取存储器(MRAM)装置的存储器单元中的磁矩的方法。还提供使用符合本发明的实施例的用于转换磁矩的方法用于写入或读取具有低写入或读取电流的MRAM装置的方法。
图12显示包括存储器单元阵列的示范性MRAM装置200。仅显示存储器单元中的一个，存储器单元202。MRAM装置200包括多个写入位线204和多个写入字线206。写入位线204与写入字线206彼此大体正交。每一存储器单元对应于一个写入位线204和一个写入字线206。
存储器单元202包括钉扎磁性区域208、自由磁性区域210和夹在钉扎磁性区域208与自由磁性区域210之间的穿隧障壁212。
钉扎磁性区域208可包含钉扎铁磁体或合成反铁磁(SAF)结构.图12显示钉扎磁性区域208包含一个三层SAF结构，其包括将反铁磁耦合间隔层218夹在中间的两个铁磁层214和216.铁磁层214和216可包含(例如)钴铁(CoFe)、镍铁(NiFe)或钴铁硼(CoFeB).反铁磁耦合间隔层218可包含(例如)钌(Ru)或铜(Cu).反铁磁耦合间隔层218的厚度使得铁磁层214与216彼此反铁磁耦合.
自由磁性区域210可包含SAF，其包括将反铁磁耦合间隔层224夹在中间的两个铁磁层220和222。铁磁层220和222可包含(例如)钴铁(CoFe)、钴铁硼(CoFeB)或镍铁(NiFe)。反铁磁耦合间隔层224可包含(例如)钌(Ru)或铜(Cu)。反铁磁耦合间隔层224的厚度使得铁磁层220与222彼此反铁磁耦合。尽管图12显示自由磁性区域210仅包括三个层，但应了解，也可使用具有三层以上的多层SAF结构。例如，自由磁性区域210可包含由耦合间隔层分离的三个或三个以上铁磁层。
穿隧障壁212可包含(例如)氧化铝(AlOx)或氧化镁(MgO)。
另外，反铁磁层(anti-ferromagnetic pinning layer)226、缓冲层228、底部电极230和介电层232提供于钉扎磁性区域208与写入字线206之间。反铁磁层226可包含(例如)铂锰(PtMn)或锰铱(MnIr)。缓冲层228可包含(例如)镍铁(NiFe)、镍铁铬(NiFeCr)或镍铁钴(NiFeCo)。上部电极234提供于自由磁性区域210上，且介电层236提供于上部电极234与写入位线204之间。
反铁磁层226固定住钉扎磁性区域208的磁矩，使得当施加中等磁场时钉扎磁性区域208的磁矩不旋转。相比之下，在外磁场的情况下自由磁性区域210的磁矩自由旋转。
穿隧障壁212的电子穿隧障壁和因此存储器单元202的电阻随磁场改变。例如，当铁磁层216和220的各自磁矩向量彼此平行时，穿隧障壁212具有低电子穿隧障壁，且存储器单元202具有低电阻。当铁磁层216和220的各自磁矩向量彼此反平行时，穿隧障壁212具有高电子穿隧障壁，且存储器单元202具有高电阻。因此，存储器单元202可存储由其电阻值界定的位“1”或“0”。例如，存储器单元202的高电阻可表示位“1”，且存储器单元202的低电阻可表示位“0”，或相反。
MRAM装置200还包括多个晶体管，每一个耦合到所述存储器单元中的一个。特定而言，图12显示耦合到存储器单元202的底部电极230的晶体管238。MRAM装置200还包括耦合到存储器单元的多个传感放大器。特定而言，图12显示传感放大器240，其耦合到存储器单元202的上部电极234以感测流过存储器单元202的电流，且还经耦合以感测通过参照单元(图中未表示)的参照电流，以确定存储器单元202的状态。地址线(图中未表示)，即字线或位线，耦合到晶体管的栅极和传感放大器以用于选择所述存储器单元中的一个。因此，为了读取存储在存储器单元202中的数据，启动相应的字线和位线以选择存储器单元202，因此打开晶体管238，将电压施加于上部电极234与底部电极230之间，且通过传感放大器240感测通过存储器单元202的电流。尽管图12显示直接耦合到上部电极234的传感放大器240，但应了解传感放大器240还可通过写入位线204耦合到上部电极234，提供于介电层236中的导电插塞将写入位线204连接到上部电极234。
图13为说明当从顶部观察存储器单元202时关于写入位线204和写入字线206的方向的存储器单元202中的磁矩的平面图。在图13中，负y轴沿写入位线204的正电流方向，且负x轴沿写入字线206的正电流方向。更具体地说，图13中的正y轴处于沿图12中所示的写入位线204的从左到右的方向，且图13中的正x轴处于沿图12中所示的写入字线206的从纸的平面中到纸的外部的方向。在制造MRAM装置200期间，可设置钉扎磁性区域208和自由磁性区域210的易轴。假设钉扎磁性区域208具有与负x轴和负y轴成45°角的易轴EP，且自由磁性区域210具有与正x轴方向和正y轴方向成约45°角的正易轴E+，和与负x轴方向和负y轴方向成约45°角的负易轴E-。在缺少外磁场的情况下，铁磁层214、216、220和222的磁矩向量与所述易轴中的一个对准。特定而言，在图13中，铁磁层216的磁矩向量A与易轴EP对准，且铁磁层214的磁矩向量B与磁矩向量A反平行。假设磁矩向量A具有比磁矩向量B大的量值。因此，钉扎磁性区域208的合磁矩向量C处于EP方向。同样，在图13中，铁磁层220的磁矩向量D与易轴E-对准，且铁磁层222的磁矩向量E与易轴E+对准。假设磁矩向量D具有比磁矩向量E大的量值。因此，自由磁性区域210的合磁矩向量F处于E-方向。还将磁矩向量A-F标注于图12中的相应部分上。应了解，表示图12和图13及以下图式中的磁矩向量A-F的箭头线仅显示磁矩向量的方向，而不指示其相对强度。
提供到写入位线204和写入字线206的电流感应外磁场，且其间的关系显示于图12和图13中。通过写入位线204的字线电流IW感应字线磁场HW，且通过写入字线206的位线电流ID感应位线磁场HD。磁场HW和HD的强度分别与字线电流IW和位线电流ID成比例。假设写入位线204在存储器单元202上方，且写入字线206在存储器单元202的下方。因此，如图13中所示，当字线电流IW为正(即，处于负x轴方向)时，HW在存储器单元202的平面中大体上处于正y轴方向；当位线电流ID为正(即，处于负y轴方向)时，HD在存储器单元202的平面中大体上处于正x轴方向。为说明方便起见，在以下描述和附图中，感应的外磁场叙述为或显示为处于正或负x轴或y轴方向。应了解，所述感应的外磁场可处于或可不处于正或负x轴或y轴方向。
如以上参看图7a-7e和8a-8e所描述，通过以图4中所示的序列100提供字线电流IW的脉冲和位线电流ID的脉冲，铁磁层220和222的磁矩向量D和E可旋转，且存储器单元202可被切换写入。另外，如Engel等人所提出，可通过调整钉扎磁性区域208的磁矩向量C产生偏压磁场HBIAS，借此允许较低的写入电流IW和ID。然而，如上所注意，在强偏压磁场的情况下切换写入可能失败，且仅可使用相对较弱的偏压磁场，并仍需要较大的写入电流。特定而言，如果偏压磁场HBIAS处于正x轴方向与正y轴方向之间的方向，那么当施加正字线电流IW时，铁磁层220和222的磁矩向量D和E可以错误方向旋转。
一种符合本发明的第一实施例的用于转换MRAM存储器单元的磁矩的方法通过临时感应一部分地偏移HBIAS的外磁场(即，外磁场的方向与HBIAS的方向形成钝角)避免由强HBIAS导致的上述问题。图14a-14d为对符合本发明的第一实施例的用于转换磁矩的方法的解释。
图14a显示当存在强偏压磁场HBIAS时的磁矩向量D和E。假设HBIAS大体上处于E+方向。结果，磁矩向量D和E可逆时针旋转，并分别靠近或通过y轴。
如图14b中所示且符合本发明的第一实施例，将负字线电流提供于写入字线206中，在负x轴方向中感应字线磁场HW。HW部分地偏移HBIAS，所结合的磁矩HC处于HW与HBIAS之间的方向。一方面，HW可以正x轴方向完全偏移HBIAS的分量，使得HC处于正y轴方向。作为HW的结果，磁矩向量D和E都顺时针旋转并靠近易轴E+和E-。
接着，可遵循用于旋转磁矩向量D和E的常规步骤。例如，如图14c所示，如果磁矩向量需要顺时针旋转，那么可提供正位线电流来感应在正y轴方向(即，与HBIAS成约45°角)的位线磁场HD。
常规步骤开始后，可中断负字线电流.例如，在图14d中，中断负字线电流之后，磁矩向量D和E进一步顺时针旋转，这为施加正字线电流的所要的结果.
因此，通过临时偏移偏压磁场HBIAS，避免了与强HBIAS相关联的上述问题。
在图14b中，假设HW处于负x轴方向，且因此与HBIAS成约135°角。然而，应了解，通过(例如)提供写入位线204和写入字线206中的电流的结合，HW的方向可与HBIAS成任何钝角。
当存储器单元的磁矩向量需要旋转时，可应用符合本发明的第一实施例的用于转换磁矩的方法以在存在强偏压磁场HBIAS的情况下存取MRAM装置的存储器单元。例如且符合本发明的第二实施例，可应用符合本发明的第实施例的方法以切换写入MRAM装置，借此允许强偏压磁场进一步降低写入电流并减少功率消耗。
符合本发明的第二实施例，提供三个连续电流脉冲以写入MRAM的存储器单元，同时所述存储器单元处于强偏压磁场下。例如，假设MRAM装置200的存储器单元202处于正易轴E+方向的强偏压磁场HBIAS下，那么可供应包括两个位线电流脉冲和一个字线电流脉冲的三个电流脉冲以切换写入存储器单元202。图15显示三个电流脉冲的时间关系。特定而言，在时间t0，不提供写入电流。在时间t1，提供负字线电流IW1。在时间t2，提供正位线电流ID。在时间t3，关闭IW1并提供正字线电流IW2。在时间t4，关闭ID。在时间t5，关闭IW2。一方面，IW1与IW2具有大体上相同的量值。另一方面，IW1具有独立于IW2的适当量值。
图16a-16e说明使用符合本发明的第二实施例的方法切换写入存储器单元202的一实例。图16a-16e分别显示仅铁磁层220和222的磁矩向量D和E的位置。应了解，在图16a-16e中表示磁场的箭头线仅显示所述磁场的方向，并不指示其相对强度。
图16a显示在时间t0存储器单元202的状态。由于强HBIAS，铁磁层220和222的末端域中的磁化可能不规则使得其磁矩向量D和E可逆时针旋转且分别靠近或通过y轴。
如图16b所示，在时间t1，提供负字线电流IW1，在负x轴方向(即，与HBIAS成135°角)产生字线磁场HW1。换句话说，HW1部分地偏置HBIAS。结果，磁矩向量D和E顺时针旋转并分别靠近易轴E-和E+。
如图16c所示，在时间t2，提供正位线电流ID，从而在正y轴方向产生位线磁场HD。磁矩向量D和E进一步以顺时针方向旋转。
如图16d所示，在时间t3，关闭负字线电流IW1，并提供正字线电流IW2，从而在正x轴方向产生字线磁场HW2。磁矩向量D和E进一步顺时针旋转。
如图16e所示，在时间t4，关闭位线电流ID，且磁矩向量D和E进一步顺时针旋转。现在磁矩向量D较接近正易轴E+方向，且磁矩向量E较接近负易轴E-方向。
如图16f所示，在时间t5，也关闭正字线电流IW2。磁矩向量D和E位于接近易轴的位置。因为在时间t5之前，磁矩向量D较接近正易轴E+方向，且磁矩向量E较接近负易轴E-方向，所以磁矩向量D位于接近正易轴E+方向的位置，且磁矩向量E位于接近负易轴E-方向的位置。换句话说，与图16a中所示的时间t0相比，磁矩向量D和E转换了位置，且存储器单元202的状态成功转换。
MRAM装置200的其它存储器单元可使用以上所描述的相同方法写入。
符合本发明的第二实施例，通过首先施加负字线磁场HW1以部分地偏置HBIAS，借此导致磁矩向量D和E顺时针旋转，磁矩向量D和E在IW1、ID和IW2下继续顺时针旋转。因此，甚至当施加较小写入电流IW1、ID和IW2时，也避免了由强偏压场HBIAS所导致的磁矩向量以错误方向旋转的问题.
符合本发明的第三实施例，提供四个连续电流脉冲以写入MRAM的存储器单元，其中所述存储器单元处于强偏压磁场下。例如，如果MRAM装置200的存储器单元202处于正易轴E+方向的强偏压磁场HBIAS下，那么可供应包括两个位线电流脉冲和两个字线电流脉冲的四个电流脉冲以写入存储器单元202。图17显示四个电流脉冲的时间关系。特定而言，在时间t0，不提供写入电流。在时间t1，提供负字线电流IW1。在时间t2，提供正位线电流ID1。在时间t3，关闭IW1并提供正字线电流IW2。在时间t4，关闭ID1并提供负位线电流ID2。在时间t5，关闭IW2。在时间t6，关闭ID2。一方面，ID1与ID2具有大体上相同的量值。另一方面，ID1具有独立于ID2的适当量值。一方面，IW1与IW2具有大体上相同的量值。另一方面，IW1具有独立于IW2的适当量值。
图18a-18g说明使用符合本发明的第三实施例的方法切换写入存储器单元202的一实例。图18a-18g分别显示仅铁磁层220和222的磁矩向量D和E的位置。应了解，在图18a-18g中表示磁场的箭头线仅显示所述磁场的方向，并不指示其相对强度。
图18a显示在时间t0存储器单元202的状态。由于强HBIAS，铁磁层220和222的末端域中的磁化可能不规则使得其磁矩向量D和E可逆时针旋转且分别靠近或通过y轴。
如图18b所示，在时间t1，提供负字线电流IW1，从而在负x轴方向产生字线磁场HW1。结果，磁矩向量D和E顺时针旋转。
如图18c所示，在时间t2，提供正位线电流ID1，从而在正y轴方向产生位线磁场HD1。磁矩向量D和E进一步以顺时针方向旋转。
如图18d所示，在时间t3，关闭负字线电流IW1，并提供正字线电流IW2，从而在正x轴方向产生位线磁场HW2。磁矩向量D和E进一步顺时针旋转。
如图18e所示，在时间t4，关闭正位线电流ID1并提供负位线电流ID2，从而在负y轴方向产生位线磁场HD2。结果，磁矩向量D和E进一步顺时针旋转。现在磁矩向量D较接近正易轴E+方向，且磁矩向量E较接近负易轴E-方向。
如图18f所示，在时间t5，关闭正字线电流IW2。因为正x轴方向的磁场较弱，磁矩向量D和E分别朝向y轴旋转。磁矩向量D仍较接近正易轴E+方向，且磁矩向量E已移动到较接近负易轴E-方向。
如图18g所示，在时间t6，也关闭负位线电流ID2。磁矩向量D和E稍微逆时针旋转，但因为在时间t6之前，磁矩向量D较接近正易轴E+方向，且磁矩向量E较接近负易轴E-方向，所以磁矩向量D位于接近正易轴E+方向的位置，且磁矩向量E位于接近负易轴E-方向的位置。换句话说，与图18a中所示的时间t0相比，磁矩向量D和E转换了位置，且存储器单元202的状态成功转换。
MRAM装置200的其它存储器单元可使用以上所描述的相同方法写入。
与本发明的第二实施例相比，本发明的第三实施例进一步提供负位线电流ID2以进一步顺时针旋转磁矩向量D和E。结果，磁矩向量D和E移动到较接近各自的易轴，借此进一步减小写入失败的可能性。因此，符合本发明的第三实施例，写入电流IW1、ID1、IW2和ID2可甚至比本发明的第二实施例所要求的写入电流IW1、ID和IW2低。
符合本发明的实施例，还提供用于转换磁矩以读取MRAM装置中的存储器单元的方法.特定而言，首先通过部分地转换选定的参照存储器单元的磁矩并感测通过所述参照存储器单元的电流而获得参照电流.例如，参看图12和图13，如果部分地转换磁矩向量D和E使得磁矩向量D与易轴E+和E-成约90°角，且因此也与磁矩向量A成约90°角，那么存储器单元202的电阻具有中间值(intermediate value)，即，当磁矩向量D平行于磁矩向量A时大于存储器单元202的参照电阻但当磁矩向量D反平行于磁矩向量A时低于存储器单元202的参照电阻的值。因此，当将电压施加于存储器单元202上时，穿过其的电流也具有中间值并可用作参照电流。通过比较穿过存储器单元的读取电流与所述参照电流，可确定所述存储器单元的状态。
以下参看图19和图20a-20f描述符合本发明的第四实施例的读取MRAM存储器单元的实例，其说明以选定为参照存储器单元的存储器单元202产生参照电流。
图19显示符合本发明的第四实施例的施加到用于产生参照电流的存储器单元202的三个电流脉冲的时间关系。特定而言，在时间t0，不提供电流。在时间t1，提供负字线电流IW1。在时间t2，提供正位线电流ID。在时间t3，关闭IW1并提供正字线电流IW2。如以下所讨论，图19中的时间t4指示感测参照电流的时间点。在时间t5，关闭IW2。在时间t6，关闭ID。IW1与IW2可能或可能不具有大体上相同的量值。
图20a-20e分别说明当施加图19中的三个电流脉冲时铁磁层220和222的磁矩向量D和E的位置。图20a显示在时间t0存储器单元202的状态。假设偏压磁场HBIAS通过调整钉扎磁性区域208的磁矩向量C产生。作为HBIAS的结果，磁矩向量D和E可逆时针旋转且分别靠近或通过y轴。
如图20b所示，在时间t1，提供负字线电流IW1，从而在负x轴方向产生字线磁场HW1。结果，磁矩向量D和E顺时针旋转并分别靠近易轴E-和E+。
如图20c所示，在时间t2，提供正位线电流ID，从而在正y轴方向产生位线磁场HD。磁矩向量D和E进一步以顺时针方向旋转。
如图20d所示，在时间t3，关闭负字线电流IW1，并提供正字线电流IW2，从而在正x轴方向产生字线磁场HW2。磁矩向量D和E进一步顺时针旋转，且均与易轴E+和E-成约90°角。
接着，在时间t4且在图式中未显示，通过存储器单元202的电流被感测为参照电流。
如图20e所示，在时间t5，关闭正字线电流IW1。结果，磁矩向量D和E逆时针旋转。现在磁矩向量D较接近负易轴E-方向，且磁矩向量E较接近正易轴E+方向。
如图20f所示，在时间t6，也关闭位线电流ID。磁矩向量D和E位于接近易轴的方向。因为在时间t6之前，磁矩向量D较接近负易轴E-方向，且磁矩向量E较接近正易轴E+方向，所以磁矩向量D和E返回到如图20a所示的其在时间t0的各自位置。
在时间t4获得的参照电流接着可用于与通过待读取的存储器单元的电流相比较。如果通过待读取的存储器单元的电流小于所述参照电流，那么可确定待读取的存储器单元使位“1”存储于其中，从而假设存储器单元202的高电阻表示位“1”。如果通过待读取的存储器单元的电流大于所述参照电流，那么可确定待读取的存储器单元使位“0”存储于其中。存储器单元202也可通过在时间t6后感测通过其的电流并将所感测的电流与参照电流比较来读取。
在符合本发明的第四实施例的方法的实例的以上描述中，假设存在偏压磁场HBIAS。应了解，符合本发明的第四实施例的方法并不仅限于此。例如，如果缺少HBIAS，那么负字线电流IW1可为不必要的，且仅需要正位线电流ID和正字线电流IW2。还应了解，磁矩向量D和E无须与易轴E+和E-成约90°角来测量所述参照电流。确切地说，假如当存储器单元使位“0”或“1”存储于其中时，参照电流大体上不同于通过所述存储器单元的读取电流，那么磁矩向量D和E可与易轴成任意角来测量所述参照电流。此外，应了解，除图19和图20a-20f中所示的方式外，可以任何方式将电流提供到写入位线204和写入字线206，只要磁矩向量D和E旋转到用于测量参照电流的所要方向。
在本发明的实施例的以上描述中，为了方便起见，假设当从顶部观察存储器单元202时，以一方式提供电流以用于磁性层220和222的磁矩向量D和E顺时针旋转。然而，应了解，磁矩向量D和E可以两个方向旋转。例如，也符合本发明的第一实施例，可提供负位线电流，随后提供正字线电流，以用于磁矩向量D和E成功地逆时针旋转。也符合本发明的第二实施例，用于写入存储器单元202的三个电流脉冲可包括连续提供的负位线电流、正字线电流和正位线电流。也符合本发明的第三实施例，用于写入存储器单元202的四个电流脉冲可包括连续提供的负位线电流、正字线电流、正位线电流和负字线电流。也符合本发明的第四实施例，所述三个脉冲可包括负位线电流、正字线电流和正位线电流，关闭正位线电流之后关闭正字线电流。
在以上描述中，假设易轴E+和E-与x轴和y轴成约45°角。然而，应了解，所述易轴无须与x轴和y轴成特定角，但确切地说可与x轴或y轴成任意角。所属领域的技术人员现在应了解可相应地修改符合本发明的实施例的方法。例如，符合本发明的第二实施例，当自由磁性区域的易轴与字线和位线成随机角度时，可提供三个连续电流脉冲以写入存储器单元，其中所述三个脉冲中的每一个为字线电流和位线电流的结合，而非单独的字线电流或位线电流。对于另一实例而言，符合本发明的第三实施例，当自由磁性区域的易轴与字线和位线成随机角度时，可提供四个连续电流脉冲以写入存储器单元，其中所述四个脉冲中的每一个为字线电流和位线电流的结合。
还应了解，符合本发明实施例的方法不仅适用于具有与存储器单元202或MRAM装置200相同的结构的存储器单元或存储器装置，还适用于写入MRAM装置，其中存储器单元具有包含单层自由磁性层或(如上所述)三层以上的自由磁性区域。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。
Claims (6)
1.一种用于写入磁阻式随机存取存储器装置的存储器单元的方法，其中所述磁阻式随机存取存储器装置具有多个存储器单元、多个写入位线和多个写入字线，而所述多个写入位线与所述多个写入字线彼此正交，且每一所述多个存储器单元对应于所述多个写入位线其中之一及所述写入字线其中之一，而所述的方法，其特征是包含：
使所述存储器单元承受偏压磁场；
在第一时间点，提供负字线电流，以于第一方向提供第一磁场；
在与所述第一时间点间隔第一预设时间的第二时间点，提供正位线电流，以于第二方向提供第二磁场，所述第二方向与所述第一方向正交；
在与所述第二时间点间隔第二预设时间的第三时间点，关闭所述负字线电流，以关闭所述第一磁场；
在所述第三时间点，提供正字线电流，以于第三方向提供第三磁场，所述第三方向与所述第一方向相反；
在与所述第三时间点间隔第三预设时间的第四时间点，关闭所述正位线电流，以关闭所述第二磁场；和
在与所述第四时间点间隔第四预设时间的第五时间点，关闭所述正字线电流，以关闭所述第三磁场。
2.根据权利要求1所述的用于写入磁阻式随机存取存储器装置的存储器单元的方法，其特征是进一步包含使所述存储器单元承受偏压磁场，其中：
提供所述第一磁场包含以与所述偏压磁场的方向成大于90°的角度提供所述第一磁场，且
提供所述第二磁场包含以与所述偏压磁场的所述方向成小于90°的角度提供所述第二磁场。
3.根据权利要求1所述的用于写入磁阻式随机存取存储器装置的存储器单元的方法，其特征是进一步包含使所述存储器单元承受偏压磁场，其中：
提供所述第一磁场包含以与所述偏压磁场的方向成135°的角度提供所述第一磁场，且
提供所述第二磁场包含以与所述偏压磁场的所述方向成45°的角度提供所述第二磁场。
4.根据权利要求1所述的用于写入磁阻式随机存取存储器装置的存储器单元的方法，其特征是所述存储器单元包括自由磁性区域、钉扎磁性区域和所述自由磁性区域与所述钉扎磁性区域之间的穿隧障壁，其中所述钉扎磁性区域在所述自由磁性区域中产生偏压磁场，所述偏压磁场处于与所述自由磁性区域的易轴相同的方向，且其中提供所述第一磁场包含以与所述偏压磁场的方向成135°的角度提供所述第一磁场。
5.根据权利要求1所述的用于写入磁阻式随机存取存储器装置的存储器单元的方法，其特征是所述存储器单元对应于写入位线和写入字线，所述写入位线与所述写入字线彼此正交，且其中提供所述第一磁场、提供所述第二磁场和提供所述第三磁场包含在所述写入位线和写入字线中提供电流。
6.根据权利要求1所述的用于写入磁阻式随机存取存储器装置的存储器单元的方法，其特征是提供所述第三磁场包含提供所述第三磁场以具有与所述第一磁场相同的量值。
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