专利名称：静磁场辅助的阻性感测元件的制作方法
静磁场辅助的阻性感测元件
背景技术：
数据存储器件一般以快速且高效的方式工作以存取数据。一些存储器件利用固态存储器单元的半导体阵列来存储数据的独立位。这类存储器单元可以是易失性的或者非易失性的。易失性存储器单元通常只在持续向该器件提供操作功率时保持存储在存储器中的数据。非易失性存储器单元即使在不施加操作功率的情况下通常也能保持存储在存储器中的数据。阻性感测存储器(RSM)单元可以被配置成具有不同的电阻以存储不同的逻辑状态。随后可以在读取操作期间通过施加读取电流并感测与跨单元的压降相关的信号来检测单元的电阻。RSM单元的示例性类型包括阻性随机存取存储器(RRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)以及自旋扭矩转移随机存取存储器(STTRAM或STRAM)。在这些和其它类型的器件中，通常期望在降低功耗、减少开关电流以及降低设计复杂性的同时提高性能。
发明内容
本发明的多个实施例一般涉及用于向诸如自旋扭矩转移随机存取存储器(STRAM) 之类的非易失性存储器单元写入数据的装置和关联方法。根据一些实施例，阻性感测元件(RSE)具有热辅助区、磁隧穿结(MTJ)以及钉扎区 (pinned region)。当用自旋极化电流向MTJ写入第一逻辑状态时，钉扎和热辅助区各自具有基本上为零的净磁矩。当用静磁场向MTJ写入第二逻辑状态时，钉扎区具有基本上为零的净磁矩，并且热辅助区具有非零的净磁矩。根据其它实施例，提供了具有热辅助区、磁隧穿结(MTJ)以及钉扎区的阻性感测元件(RSE)。用自旋极化电流向MTJ写入第一逻辑状态，同时钉扎和热辅助区各自的净磁矩为零。用静磁场向MTJ写入第二逻辑状态，同时钉扎区的净磁矩为零并且热辅助区被激活以产生非零的净磁矩。鉴于以下结合附图的详细讨论，可以理解表征本发明多个实施例的这些和多种其它特征和优势。
图1大体上示出数据存储器件的功能框图。图2概括示出单位单元的功能框图。图3概括示出根据本发明多个实施例构建和操作的图2中存储器单元的结构。图4示出根据本发明多个实施例构建并操作的示例性阻性感测元件。图5示出根据本发明多个实施例构建并操作的示例性阻性感测元件。图6示出根据本发明多个实施例构建并操作的替换示例性阻性感测元件。图7示出根据本发明多个实施例构建并操作的替换示例性阻性感测元件。图8概括示出根据本发明多个实施例的阻性感测元件的示例性操作。
图9提供根据本发明多个实施例的阻性感测元件的示例性操作。图10示出根据本发明多个实施例构建并操作的示例性阻性感测元件阵列。图11是单极写入操作的流程图，概括示出根据本发明多个实施例所执行的步骤。
具体实施例方式图1提供根据本发明多个实施例构建和操作的数据存储器件100的功能框图。器件100包括顶层控制器(CPU)102、接口(I/F)电路104和非易失性数据存储阵列106。I/F 电路104在控制器102的指导下操作以在阵列106和主机器件之间传递数据。图2示出可以在图1的阵列106中使用的单位单元110构造的功能框图。单位单元110具有与开关器件114串联连接的阻性感测元件(RSE) 112。开关器件114在如图所示的打开位置时用于增加单位单元110的电阻，以便有效地防止电流通过该单元。闭合位置允许读取和写入电流通过单位单元110。图3在120处示出示例性RSE构造。RSE 120被配置成自旋扭矩转移随机存取存储器(STRAM)单元，包括从由阻挡层128(诸如氧化镁，MgO)分隔的两个铁磁层1对、1沈形成的磁隧穿结(MTJ) 122。与铁磁层124、126的相对磁化方向相关联地确定MTJ 122的电阻当磁化沿同一方向(平行)时，MTJ处于低阻态(RJ ；当磁化沿相反方向(逆平行)时， MTJ处于高阻态(Rh)。通过将参考层耦合到钉扎磁化层(例如永磁体等)，固定参考层126的磁化方向。 可以通过使由参考层126中的磁化极化过的驱动电流流过，改变自由层124的磁化方向。为了读取由MTJ 122存储的逻辑状态，使相对小的电流流过源线(SL)和位线(BL) 之间的MTJ。由于MTJ在相应逻辑0和1状态下的低电阻和高电阻之间存在差异，所以位线上的电压会不同，这可以使用适当的读出放大器来感测。开关器件130在读取和写入操作期间允许对MTJ 122进行选择性访问。开关器件130可被表征为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。字线(WL)连接到晶体管130的栅极端子，如图所示。在可操作时，诸如图2-3所示的单位单元可能具有缺点，诸如写入电流不对称的特性。例如，将图3中的RSE 120设为逆平行的高阻态(难编程方向)可能需要在写入驱动器方面比将RSE设为平行的低阻态(易编程方向)付出更大的努力。单位单元中RSE和开关器件相对于写入电流方向的相对次序也可能促成这种不对称的写入特性。因此，本发明的多个实施例一般涉及写入特性被改进的新颖的存储器元件结构。 如下所述，该存储器单元结构包括具有热辅助区、磁隧穿结(MTJ)和钉扎区的阻性感测元件(RSE)。当用自旋极化电流向MTJ写入第一逻辑状态时，钉扎区和热辅助区各自具有基本上为零的净磁矩。此外，当用静磁场向MTJ写入第二逻辑状态时，钉扎区具有基本上为零的净磁矩， 并且热辅助区具有非零的净磁矩。采用沿相同方向通过存储器单元的单极写入电流来写入两种逻辑状态。图4提供根据多个实施例能够在图2的单位单元110中使用的RSE 140的示例性构造。RSE 140由包括自由层144以及第一和第二阻挡层146和148的磁隧穿结142来表征。在一些实施例中，自由层144是能够维持磁极性的铁磁材料，并且第一和第二阻挡层 146,148是氧化物阻挡层。第一和第二氧化物层146和148可以由多种材料构建，并不限于氧化物。换言之，可以在磁隧穿结142中采用除氧化物之外的阻挡材料以将自由层144与不期望的磁脉冲屏蔽。此外，将RSE 140的磁隧穿结142设置在热辅助层150和钉扎层152之间。热辅助层150能够存储在两个相反方向中任一个上具有力矩的磁极性。同时，钉扎层152具有力矩在单个方向上的磁极性。在一些实施例中，钉扎层152的磁矩与热辅助层150的磁矩方向相反，以便在磁隧穿结142上提供零净磁矩。此外，按照需要，开关器件巧4还连接到RSE 140以允许选择RSE 140。能够明白， 开关器件相对于RSE 140的位置并不受限，可以在不背离本发明精神本质的情况下改变。应该注意，在一些实施例中，热辅助层150在第一温度下具有零净磁矩，而在升高的第二温度下具有非零净磁矩。如图4所示，热辅助层150可以是单种铁磁材料，诸如但不限于稀土过渡金属及其合金，诸如TbCoi^e。然而，可以组合使用多个热辅助层150以形成热辅助区，如图5所示。图5示出根据本发明多个实施例的RSE 160的示例性构造。具有自由层164以及第一和第二氧化物层166和168的磁隧穿结162被示为设置在钉扎区170与热辅助区172 之间。钉扎区170包括由氧化物层178连接的第一和第二钉扎层174和176。钉扎层176 和178被配置成具有相反的磁矩以便向磁隧穿结162提供零净磁矩。然而，使用氧化物材料分隔钉扎层176和178并非必需，因为可以在不背离本发明精神本质的情况下使用任何所需的间隔材料。类似地，第一和第二钉扎层176和178的具体磁取向并不受限，可以是产生零净磁矩的任何配置。本领域技术人员可以明白，开关器件 184的位置靠近热辅助区172，但是可以被定位成靠近钉扎区170而不会损害本发明的精神本质。如上所述，热辅助区172包括被配置成在第一温度下向磁隧穿结162提供零净磁矩的多个热辅助层180和182。与钉扎区170非常类似，热辅助层180和182具有产生相反磁矩的磁取向。阻挡层、氧化物层或类似层184设置在热辅助层180和182之间以分隔各磁矩。这样，由于钉扎层176和174以及热辅助层180和182的平衡磁矩，RSE160具有零净磁矩。一旦自由层164保持一磁极性，RSE 160的阻态就会呈现出来并且允许读取逻辑状态。应该注意，可以采用合成亚铁磁材料构建多个热辅助层，其中一热辅助层具有高于另一的居里温度。因此，在预定温度下，可以按照需要通过温度操控热辅助层180和182以及热辅助区172的磁矩。在图6和7中，大体上将图5的RSE 160示为符合本发明多个实施例的替换构造。 如图6所示，热辅助层180和182的每一个以及热辅助区172的磁矩垂直于磁隧穿结162 和钉扎区170的磁矩。这种配置在第一温度下仍然向磁隧穿结提供零净磁矩，而在第二温度下大大降低了向自由层164写入逻辑状态所需的电流量。相比之下，磁隧穿结162和钉扎区170可被配置成相对于热辅助区172具有垂直各向异性，如图7所示。尽管存在垂直各向异性，但是磁隧穿结162的净磁矩仍保持为零， 直到第二温度激活热辅助区172以产生非零净磁矩。应该注意，图6和7所示的RSE 160各个区域的磁取向不是限制性的。例如，磁隧穿结162可被配置成具有垂直各向异性，同时钉扎区170的磁矩与具有面内磁化的热辅助区172垂直。STRAM单元(以及其它类型的RSE单元)的一个问题涉及单元晶体管的最小可实现尺寸。通常，期望确保将单元晶体管配置得足够大，以便能够适应执行写入操作所需的必备写入电流密度以及栅极控制电压而不会对单元晶体管造成损害。同时，由于晶体管通常是对单元可缩放性的限制因素，因此减小晶体管的尺寸能够有助于存储器阵列总密度的增加。相关事宜是写入电流不对称。STRAM单元通常被配置成写入电流沿不同方向通过该单元，以便写入不同的逻辑状态。对其它类型的RSE单元同样如此。例如，在第一方向上施加写入电流可以将单元电阻设为低，从而表示第一逻辑状态(例如逻辑0)。在相反的第二方向上施加写入电流可以将单元电阻设为高，从而表示相反的逻辑状态(例如逻辑1)。基于单元的这种配置，在一个方向上写入单元可能比在另一方向上更难。多个因素会促成这种不对称。一个因素是磁隧穿结和开关器件元件相对于所施加的写入电流方向的相对次序；即写入电流是首先通过磁隧穿结，还是首先通过开关器件。其它因素可能涉及磁隧穿结(或其它可变阻性元件)内诸层的配置和次序。对于图5的示例性RSE 160，可以构想，当电流在一方向上通过使得写入电流在遇到开关器件184之前遇到磁隧穿结162时，写入磁隧穿结162的状态会相对容易(该方向被称为“易”方向)。相反，可以构想，当写入电流在遇到磁隧穿结之前通过晶体管(漏极-源极接点)时，在相反方向上写入磁隧穿结162的状态会较为困难(该方向被称为“难”方向)°因此，如下所述，本发明的多个实施例采用新颖的结构和技术以便于用单向、单极电流和静磁场向RSE写入多种逻辑状态。对RSE使用单一的电流、极性和方向可以完全避免RSE和单位单元两者的写入电流不对称。同时，使用静磁场向RSE写入逻辑状态可以提供有利的功耗以及因改善单位单元劣化而得到提升的数据存储稳定性。现在参照图8和9，图8和9提供了图5的RSE 160的示例性操作。在图8中，RSE 160被示为与开关元件(晶体管)184串联的可变电阻器。位线被定位成靠近钉扎区170， 而开关元件184和源线靠近热辅助区172。应该注意，热辅助区172被示出在第一温度下， 其中产生零净磁矩。当写入电流190从位线流到钉扎区170时，由于钉扎区170和热辅助区172两者的平衡磁矩，RSE 160具有零净磁矩。在一些实施例中，当写入电流190通过RSE 160时被自旋极化，从而将磁隧穿结162的自由层164的磁取向设为第一极性。所设的极性为RSE 160提供了对应于预定逻辑状态的关联电阻。在写入电流190通过RSE 160、开关器件184 和源线之后，RSE 160经历来自自由层164的总磁矩，因为热辅助区172和钉扎区170的磁矩保持平衡。为了向RSE 160写入第二逻辑状态，图9示出静磁场192的生成和功能。当期望向RSE 160写入第二逻辑状态时，热辅助区172被加热到第二温度，在该温度下，热辅助层之一 180或182具有改变的磁矩。热辅助区172中平衡磁矩的缺乏产生非零净磁矩以及强得足以将磁隧穿结162的自由层164的极性切换到第二逻辑状态的静磁场。应该注意，钉扎区170在静磁场192的生成和利用期间保持平衡，具有零净磁矩。 与需要补偿钉扎区170的磁矩的情况相比，钉扎区170的零净磁矩允许静磁场以更小的强度改变自由层164的磁极性。从而，RSE 160的多个区域的零净磁矩允许改善稳定性、性能和功耗。单个单极、 单向写入电流的使用大大降低了通常用于补偿写入电流不对称所需的复杂性。同时，静磁场的使用提供了采用双向写入电流无法实现的精度和低功耗。还应该注意，热辅助区172达到第二温度所采用的方式并不受限。换言之，可以采用各种组件或过程来升高热辅助区172的温度并生成静磁场。此外，热辅助区172的温度升高无需电流通过整个RSE 160。例如，可以与磁隧穿结162和钉扎区170无关地对热辅助区172加热。因此，可以采用生成非零净磁矩和关联静磁场的多种方式来方便对热辅助区 172的控制和操纵。应该明白，使用双向写入电流向阻性感测元件写入逻辑状态具有许多缺点，诸如高功耗、降低的稳定性以及复杂的写入电流不对称补偿电路。实际上，考虑到写入电流在相反方向上通过阻性感测元件的不精确性和不一致性，使用双向写入电流所带来的缺点要比优点多。因此，本发明的多个实施例一般工作起来可以提供精确、可靠的阻性感测元件，该元件具有一些特定区域，这些特定区域在使用单极、单向写入电流向阻性感测元件写入逻辑状态的期间具有基本为零的净磁矩，而在使用静磁场向阻性感测元件写入逻辑状态时具有非零净磁矩。使用静磁场代替在相反方向上通过阻性感测元件的写入电流可以提供更高的性能，同时降低功耗。图10描述了示例性实施例以解释以上特征和优势。图10示出被安排成半导体阵列的图5-9所示阻性感测元件的阵列200。具体而言，图10示出由202A-202C标示的三个 STRAM单元，每个单元具有关联的开关器件(晶体管)204A-C。开关元件各自由字线206连接和控制，字线206能够按需选择一个或多个特定的阻性感测元件。应该明白，可以将该阵列扩展成具有任意数量的由这种单元构成的列和行，因此图7中简化的2x2阵列只是出于说明目的而并非限制性的。字线、位线和源线横跨阵列的各种方向也只是示例性的，并且可以按需定向。阻性感测元件202A-C的每一个还连接到与多路复用器210相耦合的热辅助线208。热辅助线208允许在不必使电流通过整个阻性感测元件的情况下将阻性感测元件的热辅助区从第一温度加热到第二温度。然而，热辅助线208的配置并非限制性的，因为一根热辅助线208可以连接到任何数量的阻性感测元件。类似地，多路复用器210的数量和取向也不局限于图10所示的配置。 例如，可以对每行或每列的阻性感测元件实施多路复用器210。在操作期间，阵列200可以从驱动器212向阻性感测元件202A-C的每个或全部提供电压。在一些实施例中，驱动器212所提供的电压经由位线214到达预定数量的阻性感测元件202A-C，所述预定数量的阻性感测元件是通过字线206操作每个期望的开关器件 204A-C上的栅极而被选择的。电压在通过阻性感测元件之后，可以通过源线216到达接地 218。应该注意，由于阻性感测元件202A-C的静磁场写入能力，不需要能够在相反方向上(从源线到位线)使电流通过阻性感测元件的第二电压驱动器。然而，将驱动器212定位在位线214上的配置并非限制性的，因为驱动器212和接地218的位置可以倒置而不会背离本发明的精神本质。
图11提供单向写入操作230的流程图，概括示出根据本发明多个实施例所执行的步骤。在步骤232，提供至少具有热辅助区、钉扎区和磁隧穿结的阻性感测元件(RSE)。在步骤234，用自旋极化电流向RSE写入第一逻辑状态。在一些实施例中，热辅助区处于产生基本上为零的净磁矩的第一温度下。类似地，在步骤234，钉扎区被表征为具有零净磁矩。随后，在步骤236，激活RSE的热辅助区以提供非零净磁矩并生成静磁场。在步骤 238，静磁场迁移到RSE的磁隧穿结以向RSE写入第二逻辑状态。该例程随后在步骤240结束ο单向写入操作230的多个步骤并非限制性的，因为这些步骤可以省略或重复任意次数。换言之，可以重复地向RSE写入第一逻辑状态而未曾写入第二逻辑状态，反之亦然。尽管以上阐述的多个实施例一般基于单元的阻性感测元件和开关器件的相对连贯次序来标识难方向和易方向，但是这并不一定是限制性的。相反，可以构想，多种存储器单元构造可以替换地具有基于单元其它特征的“易”和“难”方向。应该理解，本文所公开的多个实施例同样适合这些其它类型的存储器元件获得读取电流对称而无需损失单元可靠性。本领域技术人员应该明白，本文所示的多个实施例提供了以快速、可靠的方式向阻性感测元件写入数据的优点。用单个单向写入电流写入多个阻态的能力允许一致的数据写入而不会提高功耗。使用静磁场向阻性感测元件写入逻辑状态大大改进了任何电子数据存储器件的效率和复杂性。此外，静磁场写入的动态特性提升了写入电流驱动能力方面的性能。然而，应当明白，本文所讨论的多个实施例具有许多潜在应用，并且不限于特定的电子介质领域或特定的数据存储器件类型。应该理解，即使已在前面的描述中阐述了本发明多个实施例的许多特征和优势以及本发明多个实施例的结构和功能的诸多细节，然而该详细描述仅为解说性的，并可在细节上做出改变，尤其在本发明的原理范围内关于各部分的结构与安排的改变可以达到由表达所附权利要求书的术语的宽泛解释所指示的最大程度。
权利要求
1.一种装置，包括具有热辅助区、磁隧穿结(MTJ)和钉扎区的阻性感测元件(RSE)，其中当用自旋极化电流向所述MTJ写入第一逻辑状态时，所述钉扎区和所述热辅助区各自具有基本上为零的净磁矩，并且当用静磁场向所述MTJ写入第二逻辑状态时，所述钉扎区具有基本上为零的净磁矩，而所述热辅助区具有非零净磁矩。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述钉扎区包括按逆平行取向配置的多个固定磁性层。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在读取操作期间，所述钉扎区和所述热辅助区各自具有基本上为零的净磁矩。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自旋极化电流在单个方向上通过所述RSE。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述自旋极化电流在通过所述RSE之后通过开关器件。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热辅助区至少包括第一合成亚铁磁层和第二合成亚铁磁层。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一合成亚铁磁层具有比所述RSE的所述第二合成亚铁磁层更低的居里温度。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热辅助区在第一温度下具有基本上为零的净磁矩，且在第二温度下具有非零净磁矩。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热辅助区由电流导致的热量激活。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热辅助区具有相对于所述MTJ和所述钉扎区的面外各向异性。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热辅助区包括含有稀土过渡金属的单个亚铁磁层。
12.一种装置，包括具有热辅助区、磁隧穿结(MTJ)和钉扎区的阻性感测元件(RSE)，其中当用自旋极化电流向所述MTJ写入第一逻辑状态时所述钉扎区和所述热辅助区各自具有基本上为零的净磁矩，当用静磁场向所述MTJ写入第二逻辑状态时所述钉扎区具有基本上为零的净磁矩而所述热辅助区具有非零净磁矩，所述钉扎区包括按逆平行取向配置的多个固定磁性层，并且所述热辅助区至少包括第一合成亚铁磁层。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，还包括在第一与第二合成亚铁磁层之间的第一阻挡层；在所述热辅助区与所述钉扎区之间的第二阻挡层；在所述MTJ与所述钉扎区之间的第三阻挡层；以及在第一钉扎层与第二钉扎层之间的第四阻挡层。
14.一种方法，包括提供具有热辅助区、磁隧穿结(MTJ)和钉扎区的阻性感测元件(RSE)；用自旋极化电流向MTJ写入第一逻辑状态，同时所述钉扎区和所述热辅助区各自具有零净磁矩；以及用静磁场向所述MTJ写入第二逻辑状态，同时所述钉扎区具有零净磁矩而所述热辅助区被激活以产生非零净磁矩。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述钉扎区包括按逆平行取向配置的多个固定磁性层。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在读取操作期间，所述钉扎区和所述热辅助区各自具有基本上为零的净磁矩。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，自旋极化电流在单个方向上通过所述RSE。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述热辅助区包括多个合成亚铁磁层。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述热辅助区在第一温度下具有基本上为零的净磁矩，且在第二温度下具有非零净磁矩。
20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述热辅助区的净磁矩与所述MTJ正交。
全文摘要
用于向诸如自旋扭矩转移随机存取存储器(STRAM)之类的非易失性存储单元(140，154)写入数据的装置和关联方法。根据一些实施例，阻性感测元件(RSE)(140)具有热辅助区(150)、磁隧穿结(MTJ)(142)以及钉扎区(152)。当用自旋极化电流向MTJ写入第一逻辑状态时，钉扎和热辅助区各自具有基本上为零的净磁矩。当用静磁场向MTJ写入第二逻辑状态时，钉扎区具有基本上为零的净磁矩，而热辅助区具有非零净磁矩。
文档编号G11C11/16GK102473449SQ201080032401
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月8日 优先权日2009年7月13日
发明者L·晓华, M·唐, X·海文, Z·袁凯 申请人:希捷科技有限公司