用于场复位自旋力矩mram的结构和方法

专利名称：用于场复位自旋力矩mram的结构和方法
用于场复位自旋力矩MRAM的结构和方法技术领域
这里描述的示例性实施例一般涉及磁致电阻存储器，特别涉及对具有场复位 (field-reset)能力的自旋力矩磁致电阻随机存取存储器(MRAM)进行读取和编程的结构 和方法。
背景技术：
磁电子器件、自旋电子(spin electronic)器件以及自旋电子学(spintronic)器 件是同义词，表示利用主要由电子自旋引起的效应的器件。在许多信息设备中使用磁电子 学来提供非易失的、可靠的、防辐射的高密度数据存储和取回。所述许多磁电子信息设备包 括，但不限于，磁致电阻随机存取存储器(MRAM)、磁传感器以及用于盘驱动器的读/写头。
典型地，MRAM包括磁致电阻存储元件阵列。每一个磁致电阻存储元件典型地具有 下述结构，即，该结构包括通过各种非磁性层分开的多个磁性层，例如磁隧道结(MTJ)，并且 展现出取决于该器件的磁性状态的电阻。信息存储为磁性层中的磁化矢量的方向。一个磁 性层中的磁化矢量被磁性固定或钉扎，而另一个磁性层的磁化方向可以自由地在相同方向 或相反方向(分别称为“平行”状态和“反平行”状态)之间切换(switching)。对应于平 行和反平行磁性状态，该磁性存储元件分别具有低电阻状态和高电阻状态。相应地，对该电 阻的检测使得诸如MTJ器件的磁致电阻存储元件能够提供该磁性存储元件中存储的信息。 有两种完全不同的方法用于对自由层进行编程场切换和自旋力矩切换。在场切换MRAM 中，使用邻近MTJ位的载流线来产生对自由层起作用的磁场。在自旋力矩MRAM中，用通过 该MTJ自身的电流脉冲来实现切换。自旋极化隧道效应电流所携带的角动量导致自由层翻 转，而最终状态(平行或反平行)是由电流脉冲的极性确定的。已知在被形成图案或者以 其它方式布置以使得电流基本上垂直于界面流动的MTJ器件和巨磁致电阻器件中，以及在 电流基本上垂直于畴壁流动的简单线状结构中，发生自旋力矩转移。任何这样展现磁致电 阻的结构都有可能成为自旋力矩磁致电阻存储元件。
自旋力矩MRAM(ST-MRAM)，也称为“自旋力矩转移RAM(STT-RAM) ”，是一种新兴的 存储技术，其可能具有无限持久的非易失性以及在远高于场切换MRAM的密度下的快速的 写入速度。由于ST-MRAM切换电流需求随着MTJ尺寸减小而降低，ST-MRAM有可能在甚至更 高级的技术节点也能令人满意地按比例缩放。然而，MTJ电阻增加的可变性和在两个电流方 向下都保持相对高的切换电流通过位单元选择器件可能限制ST-MRAM的按比例缩放能力。 一个方向的写入电流通常比另一个方向的高，因此选择器件必须能够通过两个电流中较大 的一个。另外，随着写入电流脉冲持续时间缩短，ST-MRAM切换电流要求提高。因此，最小 的ST-MRAM位单元方案可能需要相对长的切换时间。
一种管理随着ST-MRAM按比例缩放而增加的MTJ电阻可变性的方案是使用自参考 读取操作来确定位的状态。一种这样的自参考读取操作会将一个位偏置到期望的电压，并 保持反射所需要的电流的参考电压，然后将该位切换的已知状态。可以通过比较将该位偏 置在新的状态所需要的电流和偏置在原始状态所需要的电流来确定该位的原始状态。电流没有改变将表示原始状态与切换后的状态相匹配，而电流在期望的方向上的改变将表示原 始状态与切换后的状态相反。
自参考读取操作可以克服MTJ电阻变化的影响，它也会增加读取时间要求。自参 考读取操作所需要的相对长的时间，连同相对长的ST-MRAM写入时间(例如与静态随机存 取存储器(SRAM)相比)，使得高顺序带宽读写方案(如动态随机存取存储器(DRAM)中所使 用的)变得更加值得期待。在DRAM所使用的方案中，同时读取一个大页面的位(几千个)， 将每一个的值分别存储在锁存器中，然后以高得多的速度将这一页面的位的子集从这一部 分中读出。为了写入DRAM，类似地将数据写入页面的子集，然后是完成写入过程而需要的时 间。诸如同步动态随机存取存储器(SDRAM)和双倍数据速率(DDR)DRAM的DRAM接口被设 计为使顺序带宽最大化，同时允许DRAM技术自然地慢的随机循环时间。ST-MRAM可以受益 于类似的方案；然而，一个关键的挑战将是管理以高带宽读写大页面的位所需要的功率。
因此，希望提供这样的ST-MRAM结构和方法，其缩短自参考读取操作，降低当对多 个位执行自参考读取操作时的功率要求，或者使得存储器能够通过仅需要在具有较低关键 电流要求的那一个方向上施加电流通过MTJ的ST-MRAM切换而运行。另外，从接下来的详 细描述和所附权利要求书，结合说明书附图以及前面的技术领域和背景技术部分，示例性 实施例的其它希望的特征和特性将变得明显。发明内容
提供了一种用于对自旋力矩磁致电阻随机存取存储器进行编程和读取的方法和 设备。
该设备包括多个磁致电阻存储元件，通常是具有两个稳定磁性状态的MTJ位；金 属复位线，靠近该多个磁致电阻存储元件中的每一个磁致电阻存储元件定位，并且被配置 为通过在预定大小和方向的电流流过该金属复位线时产生磁场来将该多个磁致电阻存储 元件设置到已知状态；位线，耦接到该多个磁致电阻存储元件；以及耦接到位线并被配置 为经位线向该多个磁致电阻存储元件中所选择的磁致电阻存储元件施加自旋力矩转移电 流的电路。附加的相关电路存储从该磁致电阻存储元件阵列读取以及向该磁致电阻存储元 件阵列写入的数据，并且使得能够经接口访问所存储的数据。
一种示例性方法实施例包括通过经金属复位线施加电流以向该多个磁致电阻存 储元件中的每一个磁致电阻存储元件施加磁场，来将该多个磁致电阻存储元件设置为第一 状态；以及通过从该电路经该多个磁致电阻存储元件中选定的磁致电阻存储元件向位线施 加自旋力矩转移电流，将所选磁致电阻存储元件编程为第二状态。
另一种示例性方法实施例包括感测该多个磁致电阻存储元件中的每一个磁致电 阻存储元件的电阻；通过经金属复位线施加电流以向该多个磁致电阻存储元件中的每一个 磁致电阻存储元件施加磁场，来将该多个磁致电阻存储元件设置为第一状态；感测该多个 磁致电阻存储元件中的每一个磁致电阻存储元件的电阻；以及通过从该电路经选定的磁致 电阻存储元件向位线施加自旋力矩转移电流，对被确定已发生改变的磁致电阻存储元件进 行编程以返回第二状态。
在另一个示例性实施例中，感测该多个磁致电阻存储元件中的每一个磁致电阻存 储元件的电阻；通过经金属复位线施加电流以向该多个磁致电阻存储元件中的每一个磁致电阻存储元件施加磁场，来将该多个磁致电阻存储元件设置为第一状态；感测该多个磁致 电阻存储元件中的每一个磁致电阻存储元件的电阻；识别并存储由设置步骤之后的电阻改 变确定的代表每一个磁致电阻存储元件的初始状态的数据；改变一个或多个所存储的数 据；以及响应于所存储的数据，将该多个磁致电阻存储元件中所选定的磁致电阻存储元件 编程为第二状态。


下面将结合后面的附图描述本发明，其中相同的附图标记表示相似的元件，并且
图1是典型的场切换MRAM存储元件阵列；
图2图解了在典型的场切换MRAM存储元件阵列的存储元件处产生的磁场；
图3是典型的自旋力矩存储单元；
图4是MRAM集成阵列的两个单元的示例性实施例；
图5是MRAM集成阵列的两个单元的另一个示例性实施例；
图6是MRAM集成阵列的两个单元的另一个示例性实施例；
图7是用于对图4、5、6的MRAM集成阵列进行编程的操作方法的流程图8是用于对图4、5、6的MRAM集成阵列进行读取的操作方法的流程图9是用于对图4、5、6的MRAM集成阵列进行读取和编程的操作方法的流程图10是包括读出放大器和写入电路的示例性实施例的方框图。
图11是包括NMOS晶体管以在图4和6的MRAM集成阵列中提供单向读取电流和 自旋力矩转移电流的示例性实施例的示意图12是包括二极管以在图4和6的MRAM集成阵列中提供单向读取电流和自旋力 矩转移电流的示例性实施例的示意图；以及
图13是包括双极晶体管以在图4和6的MRAM集成阵列中提供单向读取电流和自 旋力矩转移电流的示例性实施例的示意图。
具体实施方式
下面的详细描述本质上只是描述性的，而不是意图限制该主题的实施例或者这些 实施例的应用和使用。这里作为示例描述的任何实现方式都并非必然地解释为比其它实现 方式优选或有利。另外，不希望受前面的技术领域、背景技术、发明内容或下面的详细描述 中给出的明示或暗示的理论的约束。
磁致电阻随机存取存储器(MRAM)阵列包括位于多个磁致电阻位中的每一个磁致 电阻位附近的金属复位线。写入操作，或者说编程操作，在将电流施加到金属复位线以产生 磁场来将该多个位设置到复位状态时开始。然后将自旋力矩转移(STT)电流施加到多个磁 致电阻位中所选择的那些磁致电阻位，以将所选择的位切换到相反的编程状态。在读取操 作中，在利用编程线产生复位磁场之前，感测该多个位中的每一个位的电阻。在产生磁场改 变位的状态使其处于相反编程状态之后再次感测该电阻，由此使得能够确定所有位的初始 状态。然后向那些电阻与施加磁场之前不同的磁致电阻位施加STT电流，使其返回到其原 始状态。一些实施例需要在仅一个方向上施加STT电流，并且允许使用双极技术来提供STT 电流。
MRAM技术使用磁性组件来实现非易失性、高速操作和优良的读/写耐久性。图1 图解了具有一个或多个存储元件12的传统存储元件阵列10。一种类型的磁致电阻存储元 件的例子，磁隧道结(MTJ)兀件,包括磁化方向相对于外部磁场固定的固定铁磁层14和磁 化方向随着外部磁场而自由转动的自由铁磁层16。固定层和自由层由绝缘隧道势垒层18 分隔开。存储元件12的电阻取决于自旋极化电子隧穿通过自由铁磁层和固定铁磁层之间 的隧道势垒层的现象。隧穿现象与电子自旋有关，使得MTJ元件的电气响应是相对磁化取 向和自由铁磁层与固定铁磁层之间的传导电子的自旋极化的函数。
存储元件阵列10包括导体20，也称为“数字线(digit line) 20”，沿着存储元件 12的行延伸；导体22，也称为“位线(bit line) 22”，沿着存储元件12的列延伸；以及导体 19，也称为“底部电极19”，与固定层14电接触。虽然底部电极19接触固定铁磁层14，数 字线20与底部电极19被例如电介质材料(未示出)分隔开。存储元件12位于数字线20 和位线22的交叉点。通过给底部电极19和位线22施加电流来切换存储元件12的自由层 16的磁化方向。该电流产生磁场，该磁场将所选择的存储元件的磁化取向从平行切换为反 平行，反之亦然。为了在读取操作中感测元件12的电阻，使电流从衬底(未示出)中的晶 体管通过连接到底部电极19的导电通路(未示出)流过。
图2图解了由传统的线状数字线20和位线22产生的场。为了简化对MRAM器件 10的描述,如图所示,将参照x-y坐标系50来提及所有方向。位电流Ib 30如果沿正X方 向流动则被定义为正，而数字电流Id 34如果沿正y方向流动则被定义为正。正的位电流 Ib 30流过位线22导致环绕位磁场Hb 32，而正的数字电流Id 34将感生出环绕数字磁场Hd 36。磁场Hb 32和Hd 36结合以切换存储元件12的磁化取向。
如图2所示，使用由邻近存储元件的载流线产生的磁场的传统MRAM切换技术具有 一些实际限制，特别是当设计要求将位单元缩放到更小的尺寸时更是如此。例如，减小MTJ 元件的物理尺寸导致针对由于热波动而产生的不期望的磁化反转的稳定性降低，这是因为 随着自由层体积减小，对于热反转的能量势垒减小。可以通过增大磁各向异性来增强位的 稳定性，而这也导致增大切换场。对于每毫安培电流Id 34或Ib 30，磁场Hd 36或％ 32的 大小随着线宽度的减小而增大，这将有助于达到更高的切换场，但这只是在将线按比例移 动为更加靠近MTJ的情况下才如此，而这通常是不可能的。另外，随着线宽度减小，线电阻 增大，要求较短的线，这导致较低的阵列效率。此外，逐个位之间切换场的变化随着位尺寸 的减小而增大，这要求更大的电流来克服该分布，并实现可靠的切换。
虽然详细描述了 ST-MRAM，但是这里描述的一些编程和读取技术也可以在场切换 MRAM和相变存储器中实施。在场切换MRAM中，将由经过产生磁场以切换所选择的位的两 条写入线的电流脉冲来替代STT编程电流。在相变存储器中，将优化复位线，以产生将多个 位复位到第一电阻态的热脉冲，而不是产生ST-MRAM实施例所需要的磁场脉冲。在例如图 3所示的结构60的ST-MRAM器件中，通过使用隔离晶体管42迫使电流40直接通过构成磁 隧道结12的材料叠层，来对位进行写入。一般而言，通过流过一个铁磁层(14或16)而被 自旋极化的写入电流40对随后的层施加自旋力矩。这一力矩可以用来通过改变写入电流 极性来使自由层16的磁化在两个稳定状态之间切换。
简而言之，在电子经过磁体/非磁体/磁体三层结构中的第一磁性层之后，电流变 为自旋极化的，其中第一磁性层被通过现有技术中已知的多种方法中的任何一种基本上固定在其磁化取向上。自旋极化的电子穿过非磁性间隔，然后根据自旋角动量守恒，对第二磁 性层施加自旋力矩，这使得将第二层的磁化取向切换为平行于第一层的磁化取向。如果施 加相反极性的电流，则电子反过来首先流过第二磁性层。在穿过非磁性间隔之后，对第一磁 性层施加自旋力矩。然而，因为其磁化是固定的，所以第一磁性层并不切换。同时，一部分 电子将随后从第一磁性层反射，并在与第二磁性层发生相互作用之前返回穿过非磁性间隔 行进。在这种情况下，自旋力矩起作用，从而将第二磁性层的磁化取向切换为反平行于第一 层的磁化取向。自旋力矩切换仅在电流40超过该元件的临界电流I。时发生。该电路所使 用的自旋力矩切换电流被选择为在一定程度上高于存储元件的平均I。，从而在施加切换电 流时，所有元件都将可靠地切换。
参考图4，示例性磁致电阻存储器阵列400包括以半导体工业中已知的方式形成 在衬底402之中和之上的开关器件404和406。开关器件404和406被示为CMOS晶体管， 但是作为替换，也可以是下面将详细描述的二极管或双极晶体管。开关器件404包括电极 412和414、沟道区416以及栅极418。开关器件406包括电极412和424、沟道区426以及 栅极428。操作中，电压VSS施加到导电区442。
在电介质材料430中形成有通路432、434、436，以将电极412耦接到导电区442， 将电极414耦接到导电区444，并将电极424耦接到导电区446。导电区442、444、446是在 同一工艺步骤中形成的，并且通过半导体工业中已知的工艺彼此隔离。导线466被配置为 接收复位电压，并且也可以被称为“复位线”。电介质材料430中形成有通路452和454，以 将导电区444耦接到导电区462，将导电区446耦接到导电区464。导电复位线466是在与 形成导电区462和464的工艺步骤相同的工艺步骤中形成的。复位线466优选地包括沿着 线长度方向位于线的三个侧面上的磁透覆盖材料，以将磁场汇聚到MTJ位所在的第四个侧 面之上。
电介质材料430中形成有可缩放磁致电阻存储元件472、474。当使用MTJ器件时， 每一个MTJ器件包括底部电极484之上、并且被隧道势垒486分隔开的自由层482和固定 区485。在此图示中，为了描述本发明实施例时的简洁性，仅示出了两个磁致电阻存储元件 472、474，但是应当明白，MRAM阵列可以包括许多磁致电阻存储元件。自由层482耦接到第 一导线408、可缩放磁致电阻存储元件472、474的固定区485分别通过电极484和通路492、 494耦接到导电区域462、464。
固定磁性区485为本领域所公知，并且通常包括钉扎的合成反铁磁体，其包括铁 磁固定层、耦合间隔层、被钉扎的铁磁层以及可选的反铁磁钉扎层。固定的铁磁层被定位为 与隧道势垒相接触。耦合间隔层位于固定的铁磁层和被钉扎的铁磁层之间。反铁磁钉扎层 在被钉扎的铁磁层之下并与被钉扎的铁磁层接触。铁磁固定层和钉扎层分别具有通常被耦 合间隔层保持为反平行的磁矩矢量和通常被反铁磁钉扎层保持在固定方向上的磁矩矢量。 因此，固定磁性区485的磁矩矢量不能自由转动，并被用作参考。耦合间隔层由在邻近其两 个相反表面并与其两个相反表面接触的两个铁磁层之间产生反平行耦合的任何合适的非 磁性材料制成。典型地，耦合层是展现振荡耦合现象的层，例如，元素Ru、Os、Re、Cr、Rh、Cu 中的至少一种或者其组合，其厚度被选择以实现强反平行耦合。可选的钉扎层可以包括诸 如PtMn、IrMn、FeMn> PdMn、或其组合的反铁磁材料。然而,本领域技术人员将会理解，固定 磁性区484可以具有任何适于提供与隧道势垒相接触以提供固定磁性参考方向的固定磁性部分的结构。
自由层482具有响应于所施加的场或STT电流(下文中讨论)而自由转动的磁矩 矢量。在没有STT电流的情况下，磁矩矢量的取向沿着自由层的各向异性易磁化轴。
自由层482的易磁化轴的取向为与复位线466产生的磁场的方向成大约30度到 大约60度范围内的角度。在本发明的优选实施例中，自由层482的易磁化轴的取向与复位 线466产生的磁场的方向成大约45度角。可以容易地示出，对于具有类似斯通纳-沃法尔 斯(Stoner-Wohlfarth)的切换星形线的典型自由层,如果以与该位的易磁化轴成45度的 角度施加切换场，那么切换场被减小一半。因此，将该位复位所需的电流也被减小一半，这 使得复位需要较少的功率。在存在所施加的场或STT电流的情况下，自由层482的磁矢量 自由转动。在存在所施加的场或STT电流的情况下，固定层485的磁矢量不自由转动，并被 用作参考层。
自由层482、固定层、以及钉扎层可以由任何合适的铁磁材料以及所谓的半金属铁 磁物质制成，铁磁材料有例如N1、Fe、Co中的至少一种或其合金以及其中混入了诸如B、Ta、 V、Si和C的其它元素的其它有用合金，半金属铁磁物质有例如NiMnSb、PtMnSb, Fe3O4或 Cr02。隧道势垒486可以由诸如A10x、Mg0x、Ru0x、Hf0x、Zr0x、Ti0x、或这些元素的氮化物、 氧氮化物构成。
在制造MRAM阵列体系架构400的过程中，每一个后继的层都是按顺序沉积或以其 它方式形成的，并且每一个MTJ器件400都可以使用半导体工业中任何已知的技术，通过选 择性沉积、光刻工艺、蚀刻等来限定。典型地，MTJ的各层是通过诸如物理气相沉积的薄膜 沉积技术形成的，物理气相沉积包括磁控溅射、离子束沉积或热蒸镀。在沉积MTJ的至少一 部分的过程中，提供磁场，以在(已诱发内在各向异性的)材料中设置首选各向异性易磁化 轴。另外，典型地，在将MTJ叠层暴露于方向沿着首选各向异性易磁化轴的磁场的同时，以 提高的温度对MTJ叠层进行退火，以进一步设置内在各向异性方向，并且在使用反铁磁钉 扎层时设置钉扎方向。所提供的磁场为铁磁材料中的磁矩矢量创建首选易磁化轴。除了内 在各向异性，被形成图案为其形状具有大于一的高宽比的存储元件将具有形状各向异性， 这一形状和内在各向异性的结合限定了易磁化轴，易磁化轴优选平行于存储元件的长轴。 在一些情况下，使用具有强的垂直磁各向异性(PMA)的自由层材料，使得自由层的易磁化 轴垂直于膜平面，并且两个稳定磁性状态具有磁化矢量的方向大体上指向或离开隧道势垒 的特征，将是有利的。本领域已知的这种PMA材料包括一些有序LlO合金，例如FePt、FePd、 CoPt, FeNiPt ；以及一些人造多层结构，例如 Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Ru、Co/Au、Ni/Cu。 如果自由层的易磁化轴垂直于膜平面，那么磁致电阻存储元件472、474将不被设置为相对 于复位线466位于中间位置，而是朝复位线466的一个边缘偏移，以使得其经受由复位线 466产生的场的显著垂直分量。
在MRAM阵列体系架构400中，电介质材料430可以是氧化硅、氮化硅(SiN)、氧氮 化硅(SiON)、聚酰亚胺或其组合。导线408和通路432、434、436、452、454、492、494优选是 铜，但是应当理解，它们可以是其它材料，例如钽、氮化钽、银、金、铝、钼或其它合适的导电 材料。
图5示出了另一种示例性MRAM阵列体系架构500，其中用相同的附图标记来表示 相似的结构。对于衬底402 ;开关器件404、406 ;通路432、434、436、452、454 ;导电区域442、444、446、466 ;以及磁致电阻存储元件472、474，制作工艺和材料成分与图4中的相似，不再 重复描述。图5的磁致电阻存储器500和图4的磁致电阻存储器400之间的差异包括导电 区466 (编程或复位线)位于磁致电阻存储元件472、474的上方，以及导电区442用作位线。 MRAM阵列体系架构500提供一种小位单元，其对于通过复位线466的给定电流具有增大的 场发生能力，这是因为复位线466的位置可以更接近磁致电阻存储元件472、474。
图6不出了另一种不例性MRAM阵列体系架构600,其中用相同的附图标记来表不 相似的结构。对于衬底402 ;开关器件404、406 ;通路432、434、436、452、454 ;导电区域442、 444、446、466 ;导电位线408 ;以及磁致电阻存储元件472、474，制作工艺和材料成分与图4 中的相似，不再重复描述。导电区442被配置为接收电压VSS，而导电层408用作位线。图 6的磁致电阻存储器600和图4的磁致电阻存储器400之间的差异包括复位线466位于磁 致电阻存储元件472、474上方并与其分隔开。磁致电阻存储器600的结构提供与500类似 的小位单元，但是，通过使复位线466与磁致电阻存储元件472、474电隔离(与存储器400 相似)，消除了电压下拉复位线466对感测操作的任何负面影响和STT电流的施加。如果自 由层的易磁化轴垂直于膜平面，那么磁致电阻存储元件472、474将不被设置为相对于复位 线466位于中间位置，而是朝复位线466的一个边缘偏移，使得其经受由复位线466产生的 场的显著垂直分量。
对于上面讨论的磁致电阻存储器400、500、600，通过位置邻近多个磁致电阻存储 元件472、474中的每一个的复位线466施加电流来创建磁场，并将磁场施加给多个磁致电 阻存储元件472、474，并将磁致电阻存储元件472、474中的每一个设置为第一状态。然后 将STT电流施加给多个磁致电阻存储元件中选定的磁致电阻存储元件，以将所选的磁致电 阻存储元件472、474的状态改变为第二状态。更具体地，参考图7的流程图，提供了一种 对ST-MRAM进行编程的方法，包括通过经复位线466施加电流以向多个磁致电阻存储元件 472,474中的每一个施加磁场，来将该多个磁致电阻存储元件472、474设置702为第一状 态；以及通过从电路404、406经位线408 (图4、6)和442 (图5)向该多个磁致电阻存储元 件中选定的磁致电阻存储元件472、474施加STT电流，将所选磁致电阻存储元件编程704 为第二状态。
在可替换实施例中，在存储元件复位期间，除了经复位线466施加的电流之外，还 有电流流过存储元件。流过存储元件的这一电流可以足够大，以导致对自由层的磁力加热， 从而减小自由层的磁化和存储元件的相应切换场。在切换场减小的情况下，复位场和复位 电流也减小，这对于更低的功率和电路设计的灵活性而言都是所希望的。加热电流的大小 可以类似于ST切换所需要的电流，并且极性也可以相同。尽管针对自由层的ST与该磁场 产生的切换力矩相反，但是该场力矩占主导，从而存储元件被复位到正确的状态。在该可替 换实施例的优选方法中，在场复位电流减小到O之前，关闭加热电流。
一种从ST-MRAM读取数据的方法包括第一感测每一个磁致电阻存储元件472、474 的电阻，然后施加电流经过邻近多个磁致电阻存储元件472、474中的每一个设置的复位线 466,以创建磁场，并将该磁场施加到该多个磁致电阻存储兀件472、474，并将每一个磁致电 阻存储元件472、474设置到第一状态。然后执行第二感测，以感测磁致电阻存储元件472、 474的电阻。从第一感测到第二感测、电阻对应于磁性状态改变而发生改变的磁致电阻存 储元件472、474被识别出。对应于磁性状态改变电阻发生或未发生改变的存储元件的顺序表示该磁致电阻存储元件中存储的数据。然后向所识别出的磁致电阻存储元件472、474施 加STT电流，以将所识别出的磁致电阻存储元件472、474的状态改变到第二状态。更具体 地，参考图8的流程图，提供了一种方法以读取ST-MRAM，包括对于多个磁致电阻存储元件 472,474中的每一个感测802电阻；通过经复位线466施加电流以向该多个磁致电阻存储 元件472、474中的每一个施加复位场，来将该多个磁致电阻存储元件472、474设置804为 第一状态；感测806所述多个磁致电阻存储元件中磁性状态响应于复位场而发生改变的至 少一个磁致电阻存储元件的改变；以及通过从电路404、406经位线408 (图4、6)和442 (图 5)向所选磁致电阻存储元件472、474施加STT电流，将电阻发生改变的至少一个磁致电阻 存储元件472、474编程808为第二状态，由此使该多个MTJ位返回其原始状态。
一种ST-MRAM电路的操作方法包括将已经从多个磁致电阻存储元件472、474读 取的数据存储到相关电路，例如多个锁存器，使得用户能够从该电路执行读取操作以及对 该电路执行可以改变所存储的数据中的一个或多个存储状态的写入操作；以及将那些所存 储的状态写入该多个磁致电阻存储元件472、474。更具体地，参考图9的流程图，提供了一 种对磁致电阻存储器进行编程的方法，包括对于多个磁场发生器结构472、474中的每一 个感测902电阻；通过经复位线466施加电流以向每一个磁致电阻存储元件472、474施加 复位场，来将磁致电阻存储元件472、474设置904为第一状态；感测906多个磁致电阻存储 元件472、474中任何一个的电阻改变；识别908代表磁致电阻存储元件472、474的初始状 态的数据，并将该数据存储到相关电路；改变910该相关电路中所存储的数据中的一个或 多个所存储的状态；以及响应于所存储的数据，通过从电路404、406经位线408(图4、6)和 442 (图5)向所选磁致电阻存储元件472、474施加STT电流，根据需要将一些磁致电阻存储 元件472、474编程912为第二状态，以代表所存储的数据。
图10是可以在磁致电阻存储器400、500、600中用来执行图8的方法以通过感测 每一个磁致电阻位472、474的电阻来对磁致电阻存储元件进行编程的典型感测电路1000 的方框图。读出放大器1002和写入电路1004耦接到图4和6的位线408和图5的位线 442。读出放大器1002感测磁致电阻存储元件472、474的电阻，并向外提供数据到写入电 路1004，写入电路1004用于对磁致电阻存储元件472、474进行编程。对于图9的方法，读 出放大器包括前置放大器1006和锁存器1008。由前置放大器1006所感测的电阻作为数 据存储在锁存器1008中。用户可以在磁致电阻存储元件位被编程之前改变(步骤910)数 据。
图7、8、9的流程图是适于与磁致电阻存储器一起使用的例子。应当明白，这些方 法可以包括任何数量的附加的或者另选的任务，所示出并讨论的任务不需要按所讲述的顺 序执行，并且附加的步骤可以并入具有这里没有详细描述的附加功能的更综合的过程或工 艺。此外，只要预期的整体功能保持不变，所示出或描述的一个或多个任务可以从这些方法 之一中省略。
图4、5、6中示出的磁致电阻存储器400、500、600包括NMOS作为开关器件404、 406，并且在图11的示意图中表示。开关器件404、405耦接在位线BLl和地之间，开关器件 406、407耦接在位线BLO之间。磁致电阻存储元件472、473分别耦接在位线BLO和开关器 件404、405的电极之间。磁致电阻存储元件474、475分别耦接在位线BLO和开关器件406、 407的电极之间。开关器件404、406的栅极耦接到字线WL1，开关器件405、407的栅极耦接到字线WL0。开关器件404、405、406、407的这种配置使得单向STT电流能够对磁致电阻存 储器400、500、600、700进行编程。还示出了施加STT电流或读取偏置电流经过磁致电阻存 储元件472而不向磁致电阻存储元件473、474、475施加电流所需要施加给BLO、BLU WL0、 WLl的电压的示例性条件。向NMOS器件404和406的栅极施加电压使得电流通路能够在磁 致电阻存储元件472、474的底电极接地，而向NMOS器件405和407的栅极施加地电压将在 磁致电阻存储元件473和475的底电极处保持开路。另外，向BLl施加正电压，例如VDD，使 得电流流过磁致电阻存储元件472，而不流过磁致电阻存储元件473。向BLO施加地电压防 止电流流过磁致电阻存储元件474或475。
这些开关器件404、405、406、407可以另选地包括二极管1204、1205、1206、 1207(图 12)或双极晶体管 1304、1305、1306、1307(图 13)。类似于图 11，BLO、BLU WL0、 WLl上示出的示例性电压条件展示了选择性地施加电流经过磁致电阻存储元件472而不向 磁致电阻存储元件473、474和475施加电流。具体说来，在图12中，向BLl和WLO施加正电 压，例如VDD，同时向BLO和WLl施加地电压，使得二极管1204被正向偏置，并且传导电流经 过磁致电阻存储元件472，而二极管1205、1206和1207被反向偏置，并且没有电流流过磁致 电阻存储元件473、474和475。在图13中，与图12中描述的相同的电压条件将BJT 1304 的基极-发射极端子正向偏置，并且使得电流经磁致电阻存储元件472而流到BJT 1304的 集电极再到地，而BJT 1305、1306和1307的基极发射极端子保持反向偏置，没有电流流过 磁致电阻存储元件473、474和475。通过这些例子，可以看到如何可以向包含若干行和若干 列磁致电阻存储元件的阵列中的一个或多个磁致电阻存储元件选择性地施加电流。
可以理解，作为如图4、5、6中所示，在衬底中形成晶体管404、405、406、407 ;二极 管1204、1205、1206、1207 ;或双极晶体管1304、1305、1306、1307的替代，可以将其形成在金 属层之间，从而使得可能形成多个垂直层的存储元件。
已经示出，磁致电阻存储器400、500、600结构及其操作方法使得能够执行更快的 自参考读操作，减小对多个位执行自参考读操作时的功率要求，或者使得存储器能够与要 求仅在一个方向上施加电流经过MTJ的ST-MRAM切换一起使用。
尽管前面的详细描述中给出了至少一个示例性实施例，但是应该明白，存在大量 的变种。还应当明白，示例性实施例仅是例子，并不意图以任何方式限制本发明的范围、适 用范围、或配置。相反，前面的详细描述将向本领域技术人员提供方便的路线图来实现本发 明的示例性实施例，应当理解，可以在示例性实施例中描述的元件的功能和布置方面进行 各种改变，而不脱离所附权利要求书中所阐明的本发明的范围。
权利要求
1.一种操作自旋力矩磁致电阻存储器的方法，所述自旋力矩磁致电阻存储器包括耦接到多个磁致电阻存储元件中的每一个磁致电阻存储元件的位线、耦接到所述位线的电路、以及位于所述多个磁致电阻存储元件附近的金属复位线，该方法包括 通过经所述金属复位线施加复位电流以向所述多个磁致电阻存储元件中的每一个磁致电阻存储元件施加磁场，来将所述多个磁致电阻存储元件设置为第一状态；以及 通过从所述电路经所述多个磁致电阻存储元件中选定的磁致电阻存储元件向所述位线施加自旋力矩转移电流，将所选磁致电阻存储元件编程为第二状态。
2.根据权利要求1的方法，其中所述电路包括双极晶体管，并且施加自旋力矩转移电流的步骤包括经所述双极晶体管向所述位线施加所述自旋力矩转移电流。
3.根据权利要求1的方法，其中所述电路包括字线和耦接到所述字线的二极管，并且施加自旋力矩转移电流的步骤包括经所述二极管向所述字线施加所述自旋力矩转移电流。
4.根据权利要求1的方法，其中每一个所述磁致电阻存储元件都包括磁隧道结器件，所述磁隧道结器件具有被隧道势垒分隔开的固定磁性区和自由磁性区。
5.根据权利要求1的方法，还包括在经所述金属复位线施加所述复位电流时经所述位线施加加热电流。
6.根据权利要求1的方法，其中所述磁致电阻存储元件的易磁化轴与所述磁场成30度至60度之间的夹角。
7.根据权利要求1的方法，还包括 在复位步骤之前，感测所述多个磁致电阻存储元件中的每一个磁致电阻存储元件的电阻；以及 在设置步骤之后，感测所述多个磁致电阻存储元件中的每一个磁致电阻存储元件的电阻，其中编程步骤仅对在复位步骤之后对应于磁性状态的改变而电阻发生改变的磁致电阻存储元件进行编程。
8.根据权利要求7的方法，其中所述电路包括双极晶体管，并且施加自旋力矩转移电流的步骤包括经所述双极晶体管向所述位线施加所述自旋力矩转移电流。
9.根据权利要求7的方法，其中所述电路包括字线和耦接到所述字线的二极管，并且施加自旋力矩转移电流的步骤包括经所述二极管向所述字线施加所述自旋力矩转移电流。
10.根据权利要求7的方法，还包括 在编程步骤之前，识别并存储根据由设置步骤导致的电阻改变确定的、代表每一个磁致电阻存储元件的初始状态的数据；以及 使所存储的数据能够通过附加的接口电路而被读出。
11.根据权利要求7的方法，还包括 在编程步骤之前，识别并存储根据设置步骤之后的电阻改变确定的、代表每一个磁致电阻存储元件的初始状态的数据；以及 改变一个或多个所存储的数据， 其中编程步骤响应于所存储的数据将所述多个磁致电阻存储元件中所选择的磁致电阻存储元件编程为第二状态。
12.根据权利要求11的自旋力矩磁致电阻存储器，其中所述电路包括被配置为施加所述自旋力矩转移电流的双极晶体管。
13.根据权利要求11的自旋力矩磁致电阻存储器，其中所述电路包括被配置为提供所述自旋力矩转移电流的二极管。
14.根据权利要求11的自旋力矩磁致电阻存储器，还包括感测电路，被配置为感测所述多个磁致电阻存储元件中的每一个磁致电阻存储元件的电阻。
15.根据权利要求11的方法，其中改变一个或多个所存储的数据的步骤包括 使用所存储的数据的至少一部分来检测所存储的数据中的错误；以及 使用附加电路来改变所存储的数据以校正所检测出的错误。
16.一种自旋力矩磁致电阻存储器，包括 多个磁致电阻存储元件； 金属复位线，邻近所述多个磁致电阻存储元件中的每一个磁致电阻存储元件设置，并且被配置为通过在预定大小和方向的电流流过所述金属复位线时产生磁场来将所述多个磁致电阻存储元件设置到已知状态； 位线，耦接到所述多个磁致电阻存储元件；以及 耦接到所述位线并被配置为经所述位线向所述多个磁致电阻存储元件中所选择的磁致电阻存储元件施加自旋力矩转移电流的电路。
17.根据权利要求16的自旋力矩磁致电阻存储器，其中所述电路包括被配置为提供所述自旋力矩转移电流的双极晶体管。
18.根据权利要求16的自旋力矩磁致电阻存储器，其中所述电路包括被配置为提供所述自旋力矩转移电流的二极管。
19.根据权利要求16的自旋力矩磁致电阻存储器，还包括感测电路，被配置为感测所述多个磁致电阻存储元件中的每一个磁致电阻存储元件与复位时磁性状态的改变对应的电阻改变。
20.根据权利要求19的自旋力矩磁致电阻存储器，还包括 存储电路，被配置为存储由所述多个磁致电阻存储元件的磁性状态所代表的数据；以及 接口电路，被配置为使得所存储的数据能够被访问以进行对所述存储器的读取和写入操作。
21.根据权利要求20的自旋力矩磁致电阻存储器，还包括 被配置为选择所述多个磁致电阻存储元件中的至少一个以便用自旋力矩转移电流来对其进行编程、使所选择的磁致电阻存储元件从已知状态切换到编程状态以表示所存储的数据的电路。
22.根据权利要求16的自旋力矩磁致电阻存储器，其中所述磁致电阻存储元件被取向为使得其易磁化轴与由所述复位线产生的磁场成30度至60度范围内的角。
23.根据权利要求16的自旋力矩磁致电阻存储器，其中在每一个所述磁致电阻存储元件中包括磁隧道结器件，所述磁隧道结器件具有被隧道势垒分隔开的固定磁性区和自由磁性区。
24.一种操作电阻型存储器的方法，该电阻型存储器包括耦接到多个电阻型存储元件中的每一个电阻型存储元件的位线、耦接到所述位线的电路、以及位于所述多个电阻型存储元件附近的金属复位线，该方法包括 通过经所述金属复位线施加第一电流以施加温度分布，来将所述多个电阻型存储元件设置为第一状态；以及 通过从所述电路经所述多个磁致电阻存储元件中选定的磁致电阻存储元件向所述位线施加电流，将所选磁致电阻存储元件编程为第二状态。
全文摘要
一种对自旋力矩磁致电阻存储器阵列进行编程的装置和方法，该磁致电阻存储器阵列包括位于多个磁致电阻位中每一个磁致电阻位附近且被配置为通过在电流经其流过时产生磁场来将该多个磁致电阻存储元件设置为已知状态的金属复位线。然后向这些磁致电阻位中所选择的磁致电阻位施加自旋力矩转移电流，以将所选择的位切换到编程状态。在另一种操作模式中，在产生磁场之前感测该多个位的电阻。在产生磁场之后再次感测该电阻，根据电阻改变来确定每个位的初始状态所代表的数据。然后仅向那些电阻与施加磁场之前不同的磁致电阻位施加自旋力矩转移电流。
文档编号G11C11/16GK103003883SQ201180034784
公开日2013年3月27日 申请日期2011年5月26日 优先权日2010年5月28日
发明者T·安德烈, S·蒂兰尼, J·斯劳特, N·里佐 申请人:艾沃思宾技术公司