KR101323784B1

KR101323784B1 - 정적 자계 보조 저항성 감지 소자

Info

Publication number: KR101323784B1
Application number: KR1020127003806A
Authority: KR
Inventors: 쳉 유안카이; 루 시아오후아; 시 하이웬; 마이클 탕
Original assignee: 시게이트 테크놀로지 엘엘씨
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2013-10-31
Also published as: US20110149642A1; US7999337B2; WO2011008616A1; JP2012533190A; US20110228597A1; JP5730301B2; US8466525B2; US8466524B2; JP2013153194A; CN102473449A; KR20120046254A; US20110007430A1; US20110149641A1; JP5730933B2; US8183654B2

Abstract

스핀-토크 전달 랜덤 액세스 메모리(STRAM)와 같은 비휘발성 메모리 셀에 데이터를 기록하기 위한 장치 및 연관 방법. 몇몇 실시예들에 따르면, 저항성 감지 소자(RSE)는 열 보조 영역, 자기 터널링 접합(MTJ) 및 피닝된 영역을 갖는다. 스핀 분극된 전류에 의해 MTJ에 제 1 논리 상태가 기록되는 경우, 피닝된 및 열 보조 영역들 각각은 실질적으로 제로의 순 자기 모멘트를 갖는다. 정적 자계에 의해 MTJ에 제 2 논리 상태가 기록되는 경우, 피닝된 영역은 실질적으로 제로의 순 자기 모멘트를 갖고, 열 보조 영역은 넌-제로의 순 자기 모멘트를 갖는다.

Description

정적 자계 보조 저항성 감지 소자{STATIC MAGNETIC FIELD ASSISTED RESISTIVE SENSE ELEMENT}

데이터 저장 디바이스들은 일반적으로 고속 및 효율적인 방식으로 데이터를 저장 및 리트리브(retreive)하도록 동작한다. 몇몇 저장 디바이스들은 데이터의 개별 비트들을 저장하기 위해 솔리드 스테이트(solid-state) 메모리 셀들의 반도체 어레이를 이용한다. 이러한 메모리 셀들은 휘발성이거나 비휘발성일 수 있다. 휘발성 메모리 셀들은 일반적으로, 디바이스에 동작 전력이 계속 공급되는 동안에만 메모리 내에 저장된 데이터를 보유한다. 비휘발성 메모리 셀들은 일반적으로, 동작 전력의 인가가 없는 경우에도 메모리에 저장된 데이터를 보유한다.

저항성 감지 메모리(RSM) 셀들은 상이한 논리 상태들을 저장하기 위해 상이한 전기 저항들을 갖도록 구성될 수 있다. 이 셀들의 저항은, 판독 전류를 인가하고, 셀을 통한 전압 강하에 관한 신호를 감지함으로써, 판독 동작 동안 후속하여 검출될 수 있다. RSM 셀들의 예시적인 유형들은 저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM), 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM), 및 스핀-토크 전달(spin-torque transfer) 랜덤 액세스 메모리(STTRAM 또는 STRAM)를 포함한다.

이 유형들 및 다른 유형들의 디바이스들에서는, 전력 소모를 감소시키고, 스위칭 전류들을 낮추고, 설계 복잡도를 감소시키면서, 성능을 증가시키는 것이 종종 바람직하다.

본 발명의 다양한 실시예들은 일반적으로 스핀-토크 전달 랜덤 액세스 메모리(STRAM)와 같은 비휘발성 메모리 셀에 데이터를 기록하기 위한 장치 및 연관 방법에 관한 것이다.

몇몇 실시예들에 따르면, 저항성 감지 소자(RSE)는 열 보조 영역, 자기 터널링 접합(MTJ) 및 피닝된(pinned) 영역을 갖는다. 제 1 논리 상태가 스핀 분극된(polarized) 전류에 의해 MTJ에 기록된 경우, 피닝된 및 열 보조 영역들 각각은 실질적으로 제로(zero)의 순(net) 자기 모멘트를 갖는다. 정적 자계에 의해 제 2 논리 상태가 MTJ에 기록되는 경우, 피닝된 영역은 실질적으로 제로의 순 자기 모멘트를 갖고, 열 보조 영역은 넌-제로(non-zero)의 순 자기 모멘트를 갖는다.

다른 실시예들에 따르면, 열 보조 영역, 자기 터널링 접합(MTJ) 및 피닝된 영역을 갖는 저항성 감지 소자(RSE)가 제공된다. 다음으로, 피닝된 및 열 보조 영역들 각각이 제로의 순 자기 모멘트를 가지면서, 스핀 분극된 전류에 의해 제 1 논리 상태가 MTJ에 기록된다. 다음으로, 넌-제로의 순 자기 모멘트를 생성하도록 열 보조 영역이 활성화되고 피닝된 영역이 제로의 순 자기 모멘트를 갖는 동안, 정적 자계에 의해 제 2 논리 상태가 MTJ에 기록된다.

본 발명의 다양한 실시예들을 특징짓는 이 특성들과 이점들 및 다른 특성들과 이점들은 첨부된 도면들을 참조한 아래의 상세한 설명에 의하여 이해될 수 있다.

도 1은 일반적으로 데이터 저장 디바이스의 기능 블록 표현을 도시한다.
도 2는 일반적으로 단위 셀의 기능 블록 표현을 도시한다.
도 3은 일반적으로 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 구성 및 동작되는 도 2의 메모리 셀의 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 구성 및 동작되는 예시적인 저항성 감지 소자를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 구성 및 동작되는 예시적인 저항성 감지 소자를 도시한다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 구성 및 동작되는 대안적인 예시적인 저항성 감지 소자를 도시한다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 구성 및 동작되는 대안적인 예시적인 저항성 감지 소자를 나타낸다.
도 8은 일반적으로 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 저항성 감지 소자의 예시적인 동작을 도시한다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 저항성 감지 소자의 예시적인 동작을 도시한다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 구성 및 동작되는 저항성 감지 소자들의 예시적인 어레이를 나타낸다.
도 11은 일반적으로 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 수행되는 단계들로 예시되는 단극(uni-polar) 기록 동작에 대한 흐름도이다.

도 1은 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 구성 및 동작되는 데이터 저장 디바이스(100)의 기능 블록도를 제공한다. 디바이스(100)는 상위 레벨 제어기(CPU; 102), 인터페이스(I/F) 회로(104) 및 비휘발성 데이터 저장 어레이(106)를 포함한다. I/F 회로(104)는 어레이(106)와 호스트 디바이스 사이에서 데이터를 전달하기 위해 제어기(102)의 지시(direction) 하에서 동작한다.

도 2는 도 1의 어레이(106)에 이용될 수 있는 단위 셀(110) 구성의 기능 블록 표현들을 도시한다. 단위 셀(110)은 스위칭 디바이스(114)와 직렬로 접속되는 저항성 감지 소자(RSE; 112)를 갖는다. 스위칭 디바이스(114)는, 도시된 바와 같이, 전류가 셀을 통과하는 것을 효과적으로 방지하기 위해, 개방 위치인 경우 단위 셀(110)의 저항을 증가시키도록 기능한다. 폐쇄 위치는, 판독 및 기록 전류들이 단위 셀(110)을 통과하는 것을 허용한다.

도 3은 120에서의 예시적인 RSE 구성을 도시한다. RSE(120)는, (마그네슘 산화물 MgO와 같은) 배리어층(128)에 의해 분리되는 2개의 강자성층들(124, 126)로 형성되는 자기 터널링 접합(MTJ; 122)을 포함하는 스핀 토크-전달 랜덤 액세스 메모리(STRAM) 셀로서 구성된다. MTJ(122)의 저항은, 강자성층들(124, 126)의 상대적 자화(magnetization) 방향들과 관련하여 결정되어: 자화가 동일한 방향(평행)인 경우, MTJ는 저저항 상태(R_L)에 있고, 자화가 반대 방향들(역평행)인 경우, MTJ는 고저항 상태(R_H)에 있다.

기준층(126)의 자화 방향은 기준층을 피닝된 자화층(예를 들어, 영구 자석 등)에 커플링시킴으로써 고정된다. 자유층(124)의 자화 방향은 기준층(126)의 자화에 의해 분극된 구동 전류를 통과시킴으로써 변경될 수 있다.

MTJ(122)에 의해 저장된 논리 상태를 판독하기 위해, 소스 라인(SL)과 비트 라인(BL) 사이에서 비교적 작은 전류가 MTJ를 통과한다. 각각의 논리 0 및 1 상태들에서 MTJ의 저저항 및 고저항들 사이의 차에 기인하여, 비트 라인의 전압은 상이할 것이고, 이것은 적절한 감지 증폭기를 이용하여 감지될 수 있다. 스위칭 디바이스(130)는 판독 및 기록 동작들 동안 MTJ(122)로의 선택적 액세스를 허용한다. 스위칭 디바이스(130)는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)로서 특징지어질 수 있다. 도시된 바와 같이, 워드 라인(WL)이 트랜지스터(130)의 게이트 단자에 접속된다.

동작가능한 동안, 도 2 및 3에 도시된 바와 같은 단위 셀들은 비대칭 기록 전류 특징들과 같은 단점들을 가질 수 있다. 예를 들어, RSE를 평행 저저항 상태(용이한 프로그래밍 방향)로 설정하는 것보다, 도 3의 RSE(120)를 역평형 고저항 상태(곤란한 프로그래밍 방향)로 설정하기 위해서는, 더 큰 기록 구동기 노력이 요구될 수 있다. 기록 전류 흐름 방향에 대한, 단위 셀 내의 RSE 및 스위칭 디바이스의 상대적 순서가 또한 이러한 비대칭 기록 특징들에 기여할 수 있다.

따라서, 본 발명의 다양한 실시예들은 일반적으로 개선된 기록 특징들을 갖는 신규한 메모리 셀 구조로 의도된다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 메모리 셀 구조는, 열 보조 영역, 자기 터널링 접합(MTJ) 및 피닝된 영역을 갖는 저항성 감지 소자(RSE)를 포함한다. 피닝된 및 열 보조 영역들 각각은, 스핀 분극된 전류에 의해 제 1 논리 상태가 MTJ에 기록되는 동안 실질적으로 제로의 순 자기 모멘트를 갖는다.

또한, 정적 자계에 의해 제 2 논리 상태가 MTJ에 기록되는 경우, 피닝된 영역은 실질적으로 제로의 순 자기 모멘트를 갖고 열 보조 영역은 넌-제로의 자기 모멘트를 갖는다. 논리 상태들 모두는 메모리 셀을 통해 동일 방향으로 통과하는 단극 기록 전류들에 의해 기록된다.

도 4는 다양한 실시예들에 따라 도 2의 단위 셀(110)에서 이용될 수 있는 RSE(140)에 대한 예시적인 구성을 제공한다. RSE(140)는, 제 1 및 제 2 배리어층(146 및 148) 뿐만 아니라 자유층(144)을 포함하는 자기 터널링 접합(142)에 의해 특징지어진다. 몇몇 실시예들에서, 자유층(144)은 자기 극성을 포함할 수 있는 강자성 재료이고, 제 1 및 제 2 배리어층들(146, 148)은 산화물 배리어층들이다. 제 1 및 제 2 산화물층들(146 및 148)은 다양한 재료들로 구성될 수 있고 산화물들에 한정되지 않는다. 즉, 원하지 않는 자기 펄스들로부터 자유층(144)을 차단하기 위해, 산화물 이외의 배리어 재료가 자기 터널링 접합(142)에 이용될 수 있다.

또한, RSE(140)의 자기 터널링 접합(142)은 열 보조층(150) 및 피닝된 층(152) 사이에 배치된다. 열 보조층(150)은 2개의 반대 방향들 중 하나의 모멘트를 갖는 자기 극성을 저장할 수 있는 능력을 갖는다. 한편, 피닝된 층(152)은 단일 방향의 모멘트를 갖는 자기 극성을 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 피닝된 층(152)의 자기 모멘트는, 자기 터널링 접합(142)에 순 제로의 자기 모멘트를 제공하기 위해, 열 보조층(150)의 자기 모멘트에 반대이다.

게다가, 원하는 대로, 스위칭 디바이스(154)는 RSE(140)의 선택을 허용하기 위해 RSE(140)에 또한 접속된다. RSE(140)에 대한 스위칭 디바이스의 위치는 제한되지 않고, 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 변할 수 있음이 인식될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 열 보조층(150)은 제 1 온도에서 제로의 순 자기 모멘트를 갖는 한편, 상승된 제 2 온도에서 넌-제로의 순 자기 모멘트를 가짐을 유의해야 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 열 보조층(150)은 희토류(rare earth) 전이 금속들과 같은 단일 강자성 재료 및 TbCoFe와 같은 이들의 합금들일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나, 다수의 열 보조층들(150)이 도 5에 도시된 열 보조 영역을 형성하기 위해 결합하여 이용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 RSE(160)에 대한 예시적인 구성을 도시한다. 제 1 및 제 2 산화물층(166 및 168) 뿐만 아니라 자유층(164)을 갖는 자기 터널링 접합(162)이 피닝된 영역(170)과 열 보조 영역(172) 사이에 배치되는 것으로 도시되어 있다. 피닝된 영역(170)은 산화물층(178)에 의해 접속되는 제 1 및 제 2 피닝된 층(174 및 176)을 포함한다. 피닝된 층들(176 및 178)은 자기 터널링 접합(162)에 제로의 순 자기 모멘트를 제공하기 위해 반대의 자기 모멘트들을 갖도록 구성된다.

그러나, 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 임의의 원하는 이격(spacing) 재료가 이용될 수 있기 때문에, 피닝된 층들(176 및 178)을 분리시키기 위한 산화물 재료의 이용은 필수적인 것은 아니다. 유사하게, 제 1 및 제 2 피닝된 층들(176 및 178)의 특정한 자기 배향은 제한되지 않고, 제로의 순 자기 모멘트를 생성하는 임의의 다양한 구성들일 수 있다. 스위칭 디바이스(154)의 위치는 열 보조 영역(172)에 인접하지만, 본 발명의 사상에 악영향을 주지 않으면서, 피닝된 영역(170)에 인접하여 위치될 수 있음을 이 분야의 당업자는 인식할 수 있다.

전술한 바와 같이, 열 보조 영역(172)은, 제 1 온도에서 자기 터널링 접합(162)에 제로의 순 자기 모멘트를 제공하도록 구성되는 다수의 열 보조층들(180 및 182)을 포함한다. 피닝된 영역(170)과 매우 유사하게, 열 보조 층들(180 및 182)은 반대의 자기 모멘트들을 생성하는 자기 배향들을 갖는다. 배리어, 산화물 또는 유사한 층(184)이 자기 모멘트들을 분리시키기 위해 열 보조층들(180 및 182) 사이에 배치된다.

따라서, RSE(160)는 열 보조층들(180 및 182) 뿐만 아니라 피닝된 층들(176 및 174) 모두의 밸런싱(balancing)된 자기 모멘트들에 기인하여 제로의 순 자기 모멘트를 갖는다. 자유층(164)이 자기 극성을 유지하면, RSE(160)의 저항 상태가 존재할 것이고 논리 상태가 판독되게 할 것이다. 다수의 열 보조층들은, 하나의 층이 다른 열 보조층보다 더 높은 퀴리(Curie) 온도를 갖는 합성 강자성 재료로 구성될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 따라서, 미리 결정된 온도에서, 열 보조 영역(172) 뿐만 아니라 열 보조층들(180 및 182)의 자기 모멘트들은 원하는 바와 같이 온도에 따라 조정될 수 있다.

도 6 및 7에서는, 도 5의 RSE(160)가 일반적으로 본 발명의 다양한 실시예들에 부합하는 대안적 구성들로 도시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 열 보조 영역(172) 뿐만 아니라 열 보조층들(180 및 182) 각각의 자기 모멘트는 자기 터널링 접합(162) 및 피닝된 영역(170)의 자기 모멘트에 수직이다. 이 구성은, 제 2 온도에서 자유층(164)에 논리 상태를 기록하는데 요구되는 전류의 양을 크게 감소시키면서, 제 1 온도에서 자기 터널링 접합에 제로의 순 자기 모멘트를 여전히 제공한다.

반대로, 자기 터널링 접합(162) 및 피닝된 영역(170)은 도 7에 도시된 바와 같이 열 보조 영역(172)에 대해 수직 이방성(anisotropy)을 갖도록 구성될 수 있다. 수직 이방성에도 불구하고, 자기 터널링 접합(162)에 의해 경험되는 순 자기 모멘트는, 제 2 온도가 넌-제로 자기 모멘트를 생성하도록 열 보조층(172)을 활성화시킬 때까지 제로로 유지된다.

도 6 및 7에 도시된 RSE(160)의 영역들 각각의 자기 배향들은 제한되지 않음을 유의해야 한다. 예를 들어, 자기 터널링 접합(162)은 수직 이방성을 갖도록 구성될 수 있는 한편, 피닝된 영역(170)은, 평면 내(in-plane) 자화를 갖는 열 보조 영역(172)에 수직인 자기 모멘트를 갖는다.

STRAM 셀들(및 다른 유형의 RSE 셀들)에 대해 발견된 하나의 문제는 셀 트랜지스터의 최소 달성가능한 사이징(sizing)에 관한 것이다. 일반적으로, 셀 트랜지스터에 손상을 초래하지 않으면서 기록 동작들을 수행하기 위해 필요한 필수 기록 전류 밀도들 및 게이트 제어 전압들을 수용할 수 있도록 셀 트랜지스터가 충분히 크게 구성되는 것을 보장하는 것이 바람직하다. 이와 동시에, 트랜지스터는 종종 셀 확장성에서의 제한 요인이 될 수 있기 때문에, 트랜지스터의 사이즈를 감소시키는 것은 메모리 어레이의 전체 밀도에서의 증가들을 증진시킬 수 있다.

관련된 문제는 기록 전류 비대칭성이다. STRAM 셀들은 종종, 상이한 논리 상태들을 기록하기 위해 기록 전류들이 셀을 통해 상이한 방향들에서 통과되도록 구성된다. 이것은 또한 다른 유형들의 RSE 셀들에 대해서도 마찬가지일 수 있다. 예를 들어, 기록 전류의 제 1 방향에서의 인가는 셀의 저항을 낮게 설정하여, 제 1 논리 상태(예를 들어, 논리적 0)를 나타낼 수 있다. 기록 전류의 반대의 제 2 방향에서의 인가는 셀의 저항을 높게 설정하여, 반대의 논리 상태(예를 들어, 논리적 1)를 나타낼 수 있다.

셀의 구성에 따라, 셀을 일 방향에서 기록하는 것이 다른 방향에서 기록하는 것에 비해 더 어려울 수 있다. 다수의 요인들이 이러한 비대칭성에 기여할 수 있다. 하나의 요인은, 인가된 기록 전류의 방향에 대한 스위칭 디바이스 엘리먼트들과 자기 터널링 접합의 상대적 순서, 즉, 기록 전류가 자기 터널링 접합을 먼저 통과하는지 또는 스위칭 디바이스를 먼저 통과하는지 여부에 관한 것이다. 다른 요인들은 자기 터널링 접합(또는 다른 가변 저항 소자) 내의 층들의 구성 및 순서에 관한 것일 수 있다.

도 5의 예시적인 RSE(160)의 경우, 기록 전류가 스위칭 디바이스(154) 이전에 자기 터널링 접합(162)에 직면하는 방향(이 방향은 "용이한" 방향으로 지칭될 수 있음)으로 통과되는 경우, 자기 터널링 접합(162)의 상태를 기록하는 것은 비교적 용이할 것으로 고려된다. 반대로, 기록 전류가 자기 터널링 접합을 직면하기 전에 트랜지스터(드레인-소스 접점)를 통과하는 반대 방향(이 방향은 "곤란한" 방향으로 지칭됨)에서 기록하는 것은 더 곤란할 것으로 고려된다.

따라서, 아래에서 설명되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들은, 단일 방향 단극 전류 및 정적 자계를 이용하여 RSE에 다양한 논리 상태들의 기록을 용이하게 하는 신규한 구조 및 기술을 이용한다. RSE에 대한 단일한 전류, 극성 및 방향의 이용은 RSE 및 단위 셀 모두의 기록 전류 비대칭성의 완전한 회피를 허용한다. 한편, RSE에 논리 상태를 기록하기 위한 정적 자계의 이용은 증가된 단위 셀 열화에 기인한 데이터 저장의 개선된 신뢰도와 함께 바람직한 전력 소모를 제공한다.

이제, 도 5의 RSE(160)의 예시적인 동작을 제공하는 도 8 및 9를 참조한다. 도 8에서, RSE(160)는 스위칭 소자(트랜지스터; 154)와 직렬인 가변 저항기로 도시되어 있다. 비트 라인이 피닝된 영역(170)에 인접하여 위치되는 한편, 스위칭 디바이스(154) 및 소스 라인은 열 보조 영역(172)에 인접한다. 열 보조 영역(172)은, 제로의 순 자기 모멘트가 생성되는 제 1 온도로 도시되어 있음을 유의해야 한다.

기록 전류(190)가 비트 라인으로부터 피닝된 영역(170)으로 흐를 때, RSE(160)는 피닝된 및 열 보조 영역들(170 및 172) 모두의 밸런싱된 자기 모멘트들에 기인하여 제로의 순 자기 모멘트를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 기록 전류(190)는, 자기 터널링 접합(162)의 자유층(164)의 자기 배향을 제 1 극성으로 설정하기 위해 RSE(160)를 통과할 때 스핀 분극된다. 설정된 극성은, 미리 결정된 논리 상태에 대응하는 RSE(160)에 대한 연관된 저항을 갖는다. 기록 전류(190)가 RSE(160), 스위칭 디바이스(154) 및 소스 라인를 통과한 후, 열 보조 영역(172) 및 피닝된 영역(170)의 자기 모멘트들이 자기 모멘트에 대해 밸런싱되어 유지되기 때문에, RSE(160)는 자유층(164)으로부터의 일반적 자기 모멘트를 경험한다.

제 2 논리 상태를 RSE(160)에 기록하기 위해, 도 9는 정적 자계(192)의 생성 및 기능을 도시한다. 제 2 논리 상태를 RSE(160)에 기록하기를 원하는 경우, 열 보조 영역(172)은, 열 보조층들(180 또는 182) 중 하나가 변형된 자기 모멘트를 갖는 제 2 온도로 가열된다. 열 보조 영역(172)에서 밸런싱된 자기 모멘트들의 부족은, 자기 터널링 접합(162)의 자유층(164)의 극성을 제 2 논리 상태로 스위칭하기에 충분할 정도로 강한 정적 자계 및 넌-제로의 순 자기 모멘트를 생성한다.

피닝된 영역(170)은 정적 자계(192)의 생성 및 이용 동안 제로의 순 자기 모멘트로 밸런싱되어 유지된다는 것에 유의해야 한다. 피닝된 영역(170)의 제로의 순 자기 모멘트는, 피닝된 영역(170)의 자기 모멘트가 보상될 필요가 있다면 요구될 것보다 작은 강도만으로, 정적 필드가 자유층(164)의 자기 극성을 변경할 수 있게 한다.

결과적으로, RSE(160)의 다양한 영역들의 순 제로 자기 모멘트는 개선된 신뢰도, 성능 및 전력 소모를 허용한다. 단일한 단극 단일 방향 기록 전류의 이용은, 기록 전류 비대칭을 보상하기 위해 종종 요구되는 복잡도를 크게 감소시킨다. 한편, 정적 자계의 이용은, 양방향 기록 전류들에 의해서는 실현될 수 없는 정확도 및 낮은 전력 소모를 제공한다.

열 보조 영역(172)이 제 2 온도에 도달하는 방식은 제한되지 않음을 추가로 유의해야 한다. 즉, 열 보조 영역(172)의 온도를 상승시키고 정적 자계를 생성하기 위해 다양한 컴포넌트들 또는 절차들이 이용될 수 있다. 또한, 열 보조 영역(172)의 온도의 상승은 전체 RSE(160)를 통한 전류의 통과를 요구하지 않는다. 예를 들어, 열 보조 영역(172)은 자기 터널링 접합(162) 및 피닝된 영역(170)과는 독립적으로 가열될 수 있다. 따라서, 열 보조 영역(172)의 제어 및 조정은, 넌-제로의 순 자기 모멘트 및 연관된 정적 자계를 생성하는 다양한 방식들에서 용이하게 될 수 있다.

저항성 감지 소자에 논리 상태를 기록하기 위해 양방향 기록 전류를 이용하는 것은 높은 전력 소모, 감소된 신뢰도 및 복잡한 기록 전류 비대칭 보상 회로와 같은 다수의 단점들을 가짐을 인식할 수 있다. 실제로, 저항성 감지 소자를 통해 기록 전류를 반대 방향들로 통과시키는 부정확도 및 불일치를 고려하면, 양방향 기록 전류의 이용은 장점들보다는 더 많은 단점들을 제공한다.

따라서, 본 발명의 다양한 실시예들은 일반적으로, 단극 단일 방향 기록 전류 동안에는 실질적으로 제로의 순 자기 모멘트를 갖지만, 저항성 감지 소자에 논리 상태를 기록하기 위해 정적 자계가 이용되는 경우에는 넌-제로의 순 자기 모멘트를 갖는 특정 영역들을 갖는 정확하고 신뢰할 수 있는 저항성 감지 소자를 제공하도록 동작한다. 저항성 감지 소자를 반대 방향에서 통과하는 기록 전류 대신에 정적 자계를 이용하는 것은 전력 소모를 감소시키면서 더 뛰어난 성능을 제공한다.

전술한 특징들 및 이점들을 설명하기 위해, 도 10에서 예시적 실시예가 기술된다. 도 10은, 반도체 어레이 내에 배열되는, 도 5 내지 9에서 기술된 저항성 감지 소자들의 어레이(200)를 도시한다. 더 상세하게는, 도 10은, 연관된 스위칭 디바이스(트랜지스터; 204A-C)를 각각 갖는, 202A 내지 202C로 표기된 3개의 STRAM 셀들을 도시한다. 이 스위칭 디바이스들은, 소망에 따라, 특정한 하나 또는 다수의 저항성 감지 소자들을 선택할 수 있는 워드 라인들(206)에 의해 각각 선택 및 제어된다.

어레이는 이러한 셀들의 임의의 수의 열들 및 행들을 갖도록 확장될 수 있어서, 도 7의 단순화된 2x2 어레이는 단순히 예시의 목적들이고 제한적이 아님을 인식할 것이다. 어레이에 걸친 워드, 비트 및 소스 라인들의 다양한 방향들은 단지 예시적이고, 소망에 따라 배향될 수 있다. 저항성 감지 소자들(202A-C) 각각은 또한, 멀티플렉서(210)에 커플링되는 열 보조 라인(208)에 접속된다. 열 보조 라인들(208)은, 전류를 전체 저항성 감지 소자를 통해 통과시키지 않으면서, 저항성 감지 소자의 열 보조 영역이 제 1 온도에서 제 2 온도로 가열되게 허용한다.

그러나, 하나의 열 보조 라인(208)이 임의의 수의 저항성 감지 소자들에 접속될 수 있기 때문에, 열 보조 라인들(208)의 구성은 제한되지 않는다. 유사하게, 멀티플렉서(210)의 수 및 배향은 도 10에 도시된 구성에 제한되지 않는다. 예를 들어, 멀티플렉서(210)는 저항성 감지 소자들의 각각의 행 또는 열에 대해 구현될 수 있다.

동작 동안, 어레이(200)는 구동기(212)로부터 저항성 감지 소자들(202A-C)의 각각 또는 전부에 전압들을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 구동기(212)는, 워드 라인(206)이 각각의 원하는 스위칭 디바이스(204A-C) 상의 게이트를 동작시키게 함으로써, 비트 라인(214)을 통해, 선택된 미리 결정된 수의 저항성 감지 소자들(202A-C)로 이동하는 전압들을 생성한다. 저항성 감지 소자를 통과한 후, 전압은 소스 라인(216)을 통해 접지(218)로 전달될 수 있다.

저항성 감지 소자들(202A-C)의 정적 자계 기록 능력에 기인하여, 반대 방향에서(소스 라인으로부터 비트 라인으로) 저항성 감지 소자들을 통해 전류를 통과시킬 수 있는 제 2 전압 구동기는 불필요함을 유의해야 한다. 그러나, 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 구동기(212) 및 접지(218)의 위치가 반전될 수 있기 때문에, 비트 라인(214) 상에 위치되는 구동기(212)의 구성은 제한되지 않는다.

도 11은, 일반적으로 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 수행되는 단계들을 로 예시되는 단일 방향 기록 동작(230)에 대한 흐름도이다. 단계(232)에서, 적어도 열 보조 영역, 피닝된 영역 및 자기 터널링 접합을 갖는 저항성 감지 소자(RSE)가 제공된다. 단계(234)에서, 스핀 분극된 전류에 의해 제 1 논리 상태가 RSE에 기록된다. 몇몇 실시예들에서, 열 보조 영역은, 실질적으로 제로의 순 자기 모멘트가 생성되는 제 1 온도이다. 유사하게, 피닝된 영역은, 단계(234) 동안 제로의 순 자기 모멘트를 갖는 것으로 특징지어진다.

후속하여, RSE의 열 보조 영역은 넌-제로 순 자기 모멘트를 제공하고 정적 자계를 생성하도록 단계(236)에서 활성화된다. 단계(238)에서, 정적 자계는 RSE에 제 2 논리 상태를 기록하도록 RSE의 자기 터널링 접합으로 이동한다. 다음으로, 루틴은 단계(240)에서 종료된다.

단계들이 생략되거나 임의의 횟수만큼 반복될 수 있기 때문에, 단일 방향 기록 동작(230)의 다양한 단계들은 제한적이 아니다. 즉, 제 2 논리 상태를 항상 기록하지 않고 제 1 논리 상태가 반복적으로 RSE에 기록될 수 있거나, 또는 그 반대일 수 있다.

전술한 다양한 실시예들은 일반적으로, 셀의 스위칭 디바이스와 저항성 감지 소자의 상대적 순서에 기초하여 곤란한 방향 및 용이한 방향을 식별하지만, 이러한 것이 반드시 제한적인 것은 아니다. 오히려, 다양한 메모리 셀 구성들은 대안적으로 셀의 몇몇 다른 특성에 기초하여 "용이한" 방향 및 "곤란한" 방향을 가질 수 있는 것으로 고려된다. 본 명세서에 개시된 다양한 실시예들은, 셀 신뢰성을 손상시키지 않고, 판독 전류 대칭성을 획득할 때 이 다른 유형의 메모리 셀들에도 동일하게 적합한 것을 이해할 것이다.

이 분야의 당업자에 의해 인식될 수 있는 바와 같이, 본 명세서에 예시된 다양한 실시예들은 고속 및 신뢰할 수 있는 방식으로 저항성 감지 소자에 데이터의 바람직한 기록을 제공한다. 단일한 단일 방향 기록 전류에 의해 다양한 저항 상태들을 기록할 수 있는 능력은 전력 소모를 증가시키지 않고 일정한 데이터 기록을 허용한다. 논리 상태를 저항성 감지 소자에 기록하기 위해 정적 자계를 이용하는 것은 임의의 전자 데이터 저장 디바이스의 효율성 및 복잡성을 크게 개선시킨다. 또한, 정적 자계 기록의 동적 성질은 기록 전류 구동 능력에 대해 증가된 성능을 제공한다. 그러나, 본 명세서에서 논의되는 다양한 실시예들은 다수의 잠재적 적용들을 갖고, 특정한 분야의 전자 매체 또는 특정한 유형의 데이터 저장 디바이스들에 제한되지 않음을 인식할 것이다.

전술한 설명에서 본 발명의 다양한 실시예들의 구조 및 기능에 대한 세부사항들과 함께 본 발명의 다양한 실시예들의 다수의 특징들 및 이점들이 기술되었지만, 이 상세한 설명은 오직 예시적이고, 상세하게는, 특히, 본 발명의 원리들 내의 부분들의 구조 및 어레인지먼트들의 측면에서, 첨부된 청구항들이 표현되는 용어들의 광의의 일반적 의미에 의해 표시되는 전체 범위까지 변경들이 행해질 수 있음이 이해되어야 한다.

Claims

열 보조 영역, 자기 터널링 접합(MTJ) 및 피닝된(pinned) 영역을 갖는 저항성 감지 소자(RSE)를 포함하고,
상기 피닝된 영역 및 상기 열 보조 영역 각각은, 스핀 분극된(polarized) 전류에 의해 상기 MTJ에 제 1 논리 상태가 기록되는 동안 제로(zero)의 순(net) 자기 모멘트를 갖고,
추가적으로, 정적 자계에 의해 상기 MTJ에 제 2 논리 상태가 기록되는 경우, 상기 피닝된 영역은 제로의 순 자기 모멘트를 갖고 상기 열 보조 영역은 넌-제로의 순 자기 모멘트를 갖는,
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 피닝된 영역은 복수의 고정된 자기층들을 포함하고, 상기 복수의 고정된 자기층들 각각은 인접한 고정된 자기층의 배향과는 반대 배향으로 구성되는,
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 피닝된 영역 및 상기 열 보조 영역 각각은 판독 동작 동안 제로의 순 자기 모멘트를 갖는, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 스핀 분극된 전류는 상기 RSE를 단일 방향으로 통과하는, 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 스핀 분극된 전류는 상기 RSE 이후에 스위칭 디바이스를 통과하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 열 보조 영역은 적어도 제 1 합성 강자성층 및 제 2 합성 강자성층을 포함하는, 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 합성 강자성층은 상기 RSE의 상기 제 2 합성 강자성층보다 더 낮은 퀴리(Curie) 온도를 갖는, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 열 보조 영역은 제 1 온도에서는 제로의 순 자기 모멘트를 갖고 제 2 온도에서는 넌-제로의 순 자기 모멘트를 갖는, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 열 보조 영역은 전류 유도된(current induced) 열에 의해 활성화되는, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 열 보조 영역은 상기 MTJ 및 상기 피닝된 영역에 대해 평면 외(out-of-plane) 이방성(anisotropy)을 갖는, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 열 보조 영역은, 희토류(rare earth) 전이 금속을 포함하는 단일 강자성층을 포함하는, 장치.
열 보조 영역, 자기 터널링 접합(MTJ) 및 피닝된 영역을 갖는 저항성 감지 소자(RSE)를 포함하고,
상기 피닝된 영역 및 상기 열 보조 영역 각각은, 스핀 분극된 전류에 의해 상기 MTJ에 제 1 논리 상태가 기록되는 동안 제로의 순 자기 모멘트를 갖고,
정적 자계에 의해 상기 MTJ에 제 2 논리 상태가 기록되는 경우, 상기 피닝된 영역은 제로의 순 자기 모멘트를 갖고 상기 열 보조 영역은 넌-제로의 순 자기 모멘트를 갖고,
상기 피닝된 영역은, 복수의 고정된 자기층들을 포함하고,
상기 복수의 고정된 자기층들 각각은 인접한 고정된 자기층의 배향과는 반대 배향으로 구성되고,
상기 열 보조 영역은 적어도 제 1 합성 강자성층을 포함하는,
장치.
제 12 항에 있어서,
상기 열 보조 영역은 제 2 합성 강자성층을 더 포함하고,
상기 복수의 고정된 자기층들은 적어도 제 1 피닝된 층 및 제 2 피닝된 층을 포함하고,
상기 장치는,
상기 제 1 합성 강자성층과 상기 제 2 합성 강자성층 사이의 제 1 배리어층;
상기 열 보조 영역과 상기 피닝된 영역 사이의 제 2 배리어층;
상기 MTJ와 상기 피닝된 영역 사이의 제 3 배리어층; 및
상기 제 1 피닝된 층과 상기 제 2 피닝된 층 사이의 제 4 배리어층을 더 포함하는, 장치.
열 보조 영역, 자기 터널링 접합(MTJ) 및 피닝된 영역을 갖는 저항성 감지 소자(RSE)를 제공하는 단계;
상기 피닝된 영역 및 상기 열 보조 영역 각각이 제로의 순 자기 모멘트를 갖는 동안, 스핀 분극된 전류에 의해 상기 MTJ에 제 1 논리 상태를 기록하는 단계; 및
상기 피닝된 영역이 제로의 순 자기 모멘트를 갖고 상기 열 보조 영역이 넌-제로의 순 자기 모멘트를 생성하도록 활성화되는 동안, 정적 자계에 의해 상기 MTJ에 제 2 논리 상태를 기록하는 단계를 포함하는,
방법.
제 14 항에 있어서,
상기 피닝된 영역은 복수의 고정된 자기층들을 포함하고,
상기 복수의 고정된 자기층들 각각은 인접한 고정된 자기층의 배향과는 반대 배향으로 구성되는, 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 피닝된 영역 및 상기 열 보조 영역 각각은 판독 동작 동안 제로의 순 자기 모멘트를 갖는, 방법.
제 14 항에 있어서,
임의의 스핀 분극된 전류는 상기 RSE를 단일 방향으로 통과하는, 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 열 보조 영역은 복수의 합성 강자성층들을 포함하는, 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 열 보조 영역은 제 1 온도에서는 제로의 순 자기 모멘트를 갖고, 제 2 온도에서는 넌-제로의 순 자기 모멘트를 갖는, 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 열 보조 영역의 상기 순 자기 모멘트는 상기 MTJ에 직교하는, 방법.