具有可独立编程自由层畴的多位磁存储器的制作方法

专利名称：具有可独立编程自由层畴的多位磁存储器的制作方法
具有可独立编程自由层畴的多位磁存储器技术领域
本发明中的各种实施列一般涉及一种配置成具有可独立编程的自由层畴的多位非易失性存储单元。发明内容
根据各种实施列，磁性隧道结(MTJ)具有铁磁自由层，而铁磁自由层带有各自可独立编程至预定磁化的多磁畴。然后那些磁化可被读取为MTJ的不同逻辑状态。
刻画本发明各种实施例的这些以及各种其它特征与优点可考虑以下具体讨论与所附附图来理解。


图1是根据本发明的各种实施例来配置和操作的示例性数据存储设备的一般功能图2示出用于从图1设备中的存储器阵列中读取数据和写入数据的电路。
图3 —般性地示出一种可将数据写入存储器阵列的存储单元的方式。
图4 一般性地示出可从图3的存储单元读取数据的方式。
图5A和5B示出根据本发明的各种实施例来配置和操作的示例性存储单元。
图6显示图5中存储单元的示例性操作配置的一部分的等距轴视图。
图7示出图5A中存储单元的示例性操作配置。
图8提供根据本发明各种实施例的示例性存储单元的示意图。
图9A和9B绘制出图5中存储单元的各种操作特性。
图10显示根据本发明各种实施例进行的示例性单元操作例程的一种流程图和相应的说明性的磁性层叠。
具体实施方式
本公开一般涉及多位非易失性磁性存储单元。固态非易失性存储器是在形状因数不断减小的情形下为了提供可靠的数据存储和更快的数据传输速率而正在开发的技术。但是，这种固态存储器由于低单元密度和大的编程要求而具有有限的实际应用。随着数据存储设备尺寸减小，大的编程要求会导致相邻单元的高易失性，这相当于降低存储单元的可读性和可写性。
相应地，具有第一磁性隧道结(MTJ)的存储单元能够增加单元密度并降低编程要求，其中第一磁性隧道结具有铁磁自由层，而铁磁自由层带有各自可独立编程至预定磁化的多磁畴。多磁畴允许存储多个磁化，而所述多个磁化能够相对MTJ的钉扎层被读成多重逻辑形态。随着单个MTJ数据容量的增加，由大量MTJ组成的阵列能够提高集成密度，用于数据存储设备的多种操作。
图1提供根据本发明的各种实施例来配置和操作的数据存储设备100的功能框图。这个数据存储设备被构想成包括便携式的非易失性存储设备，诸如PCMCIA卡或者USB 型的外部存储设备。然而，应该意识到对设备100的这种刻画只不过是为了说明一个特殊实施例，而不限于该实施例。对设备100的顶层控制是由适当的控制器102实现的，控制器102可以是可编程的或者基于硬件的微处理器。控制器102通过控制器接口(I/F)电路104和主机I/F电路 106与主机设备通信。由随机存取存储器(RAM) 108和只读存取器(ROM) 110来实现对必须的命令、编程、操作数据等的本地存储。缓冲器112用于临时存储从主机设备输入的写入数据和正在向主机设备传输过程中的读回数据。在方框114中展示的存储空间包括大量的存储阵列116(标注为阵列0-N)，尽管应意识到可根据需要使用单个阵列。每个阵列116包含具有经选择的存储容量的磁性半导体存储器块。控制器102与存储空间114间的通信是通过存储器(MEM) I/F 118协调的。根据需要，运行中检错和纠错(EDC)的编码和解码操作是在数据传输过程中通过EDC块120 实现的。尽管不限于此，在一些实施例中，在图1中描绘的各种电路被布置成单个芯片组， 该单个芯片组在一个或多个带有适当的封装、外壳和互连特征(出于清楚的目的没有单独示出)的半导体管芯上形成。操作该设备的输入功率由合适的功率管理电路122管理且由诸如电池、AC功率输入等合适的电源提供。功率同样也能诸如通过使用USB型接口等从主机直接提供给设备100。可使用任何数量的数据存储和传输协议，例如逻辑块寻址(LBAs)，由此数据被安排和存储到固定尺寸的块(如512字节的用户数据加上用于诸如ECC、备份(sparing)、首部信息等开销字节)。根据LBA发出主机命令，设备100能够执行相应的LBA至PBA(物理块地址)转换来识别和服务于相关联的、存储和检索数据的位置。图2提供了图1中存储空间114的所选方面的一般示图。数据被存储为可由各种行(字)线和列(位)线来存取的、存储单元124的行列排列。各单元和存取线的实际配置另外取决于给定应用的要求。然而，一般将意识到，各种控制线一般包含启用线，所述启用线选择性地启用和禁用对各单元的值的相应写入和读取。控制逻辑1 分别沿多线总线路径128、130和132接收和传输数据、寻址信息和控制/状态值。X和Y解码电路134、136提供用于访问适当单元124的适当切换和其它功能。写入电路138表示用于执行向单元IM写入数据的写入操作的电路元件，读取电路140 相应地用于从单元1 获取读回数据。通过一个或多个本地寄存器144能够对传输数据和别的值进行本地缓冲。在这一点上，应当理解为图2的电路本质上仅仅是示例性的，并且可以根据给定应用的要求，很容易地按需要利用任何数量的替换结构。如图3中的一般描绘，数据被写入各自的存储单元124。一般地，写入电源146施加必要的输入(诸如以电流、电压、磁化等形式)，以将存储单元1 配置成期望状态。可理解，图3仅仅是位写入操作的代表性图示。可适当地操纵写电源146、存储单元124、以及基准节点148的配置，以允许向各单元写入所选的逻辑状态。如下面所解释地，在一些实施例中，存储单元IM采取改良的磁性随机存取存储器和自旋矩随机存取存储器(MRAM和STRAM)配置，在该情况下，写入电源146被表征为电流驱动器，其通过存储单元IM连接到适当的基准节点148。诸如，地。写入电源146通过在MRAM单元旁穿过的字线提供电流。来自字线的磁通量产生磁场，该磁场改变存储单元 124的磁矩的方取向。根据磁矩的方向，单元124可采取相对较低的电阻( )或相对较高的电阻(Rh)。 虽然不是限制性的，示例性&值可在约100欧姆(Ω)范围中，而示例性&值可在约100ΚΩ 范围中。这些值由各单元保留直到该状态被后续写操作所改变。虽然不是限制性的，在本示例中，打算用高电阻值(Rh)表示由单元1 存储逻辑1，而低电阻值(RJ表示存储逻辑 O0可按照如图4所示的方式来确定由各单元IM所存储的(诸)逻辑位值。读电源 150向存储单元IM施加适当输入(例如，所选读电压)。流过单元124的读电流Ik的量将是该单元的电阻(分别为的函数。存储单元两端的电压降(电压Vsc)经由路径 152通过比较器(读出放大器)154的正⑴输入端来感测。从基准源156向比较器154的负㈠输入端提供适当的基准(诸如电压基准Vkef)。可从各种实施例中选出基准电压Vkef，以使存储单元124两端的电压降Vsc在该单元的电阻被设为&时低于Vkef值，而在该单元的电阻被设为&时高于Vkef值。这样，比较器154的输出电压电平将指示存储单元IM所存储的逻辑位值(0或1)。图5Α和5Β —般性地例示出根据本发明各实施例的非易失性存储单元160和180。 在图5Α中，存储单元160具有被隧道结166分离的铁磁自由层162和磁性钉扎层164。自由层162被配置成具有横向相邻的第一和第二区168和170，第一和第二区各自具有独立的磁畴。如图所示，自由层162是普通材料的连续层，其可构造成单个单元或多个连续层，由于每个区168和170接触隧道结166，因此所述多个连续层形成可单独编程和读取的独立畴。自由层162可进一步配置成具有有助于保持多个稳定独立畴的预定尺寸和特征。 第一和第二区168和170可构造成具有不同的尺寸和形状，以利用形状各向异性来维持相应的畴。同样地，自由层162的区168和170可具有有助于为区168和170建立不同矫顽力的各种特征，诸如橘皮耦合和改变(orange-peel coupling and varying)的材料。具有多个磁畴的自由层162的配置可导致一个或多个畴壁存在于区168和170之间，这可为每个磁畴提供进一步的独立性。正如可意识到的，存储单元160不限于图5A中所示的取向。事实上，可按需要移动和修改各种构成层，以针对自由层162的双磁畴提供各种操作特性。例如，可在尺寸和材料方面修改隧道结166，以允许使用诸如磁通量和自旋矩电流等各种编程技术对存储单元 160读取和写入逻辑状态。在一些实施例中，隧道结166是MgO化合物，其允许以自旋矩电流或磁通量对存储单元160编程。图5B的存储单元180示出了自由层182以及区184和186的形状和尺寸可以如何改变，同时仍提供接触隧道结190且可单独编程的独立磁畴。第一和第二区184和186 是从图5A所示的区168和170修改而来的，且可按与区168和170相似或不相似的方式制造。具体地，从第一区184至第二区186的过渡是连续曲线，这与存储单元160的90度凹口过渡形成对比。这种曲线过渡可在自由层182周围径向延伸，且可配置成分离所述区184 和186的磁化。区184和186的尺寸也通过对比第一区184来扩大第二区186的尺寸而不同于存储单元160。较大的厚度和宽度可归因于形状各向异性和其它有肋于维持各磁畴的独立性的磁化稳定器。自由层182的尺寸的变化进一步使区184和186具有不同的矫顽力，而所述不同的矫顽力有助于将两个独立逻辑状态编程至单元180。即，高于预定阈值的编程电流将设置两个区的磁化，而低于该阈值的电流由于矫顽力较小而仅设置第一区184。正如可意识到的，存储单元160和180各自表示完整的存储单元的磁性隧道结 (MTJ)部分，该完整的存储单元可包括任意数量的其它层和材料，诸如电极、籽晶层和控制线。另外，每个单元160和180各自相应的钉扎层164和188可以是诸如反铁磁(AFM)材料之类的单个层、诸如合成反铁磁结构之类的层叠，或诸如耦合到磁性自由层的AFM之类的层组合，其在磁通量高于或低于预定阈值的情况下维持预设磁化。图6以等距轴视方式显示了已经将铁磁自由层192沉积在籽晶层194上的示例性存储单元190的一部分。籽晶层194的表面可用于最佳地生长或沉积具有不同形状和尺寸的第一区196和第二区198的自由层192。如图所示，每个区196和198具有在窄节流区 192相遇的连续曲线周界，该窄节流区192通过将任意畴壁局限在节流区192，使各区的独立磁畴之间的磁化干扰最小化。区196和198的尺寸差可进一步抑制相应区196和198之间的磁性干扰。S卩，相比于第二区198，第一区196的较小表面积促进了各个磁畴在各种编程和读取操作中维持独立。对区196和198如此取尺寸可相当于改变电阻和磁性矫顽力，这在仅编程所选区时提供操作益处。尽管自由层192具有如沿X和Y轴所测量的横向相邻的区196和198，然而这种配置不受限制，因为籽晶层可被去除而自由层可实现在诸如图5B的单元180之类的存储单元中，如沿X和Z轴所测量的，使得区196和198垂直相邻。不管是横向实现还是垂直实现， 自由层192的形状和尺寸特性为双磁畴提高了稳定性。图7 —般性地示出包括用于从单元读取逻辑状态和向单元写入逻辑状态的各种控制线的存储单元210。图7的配置针对提供流过字线212的电流，该电流与设置自由层 214的一个或两个畴的磁化的磁通量相对应。然而，作为替换，单元210可以用从读取线216 通过自由层214达到源线218的电流来编程。在一些实施例中，来自字线的磁通量对单元 210进行编程，而来自读取线216的电流则用于读取所编程的逻辑状态。在操作中，如果通过单元210的电流低于预定阈值，则自由层214的第一区220的第一磁畴被设置，而第二区222的第二畴保持不变。这种选择性编程是由于磁矫顽力因形状各向异性而产生差别所导致的，且允许以高于预定阈值的电流对两个畴进行编程。因此， 可通过控制流过单元210的电流来对自由层214的一个或多个畴进行编程。对自由层214各畴的选择性编程允许数据的多个位在单元210中存储为不同的逻辑状态。使读取电流通过单元210将输出与钉扎层2M有关的电阻，其中钉扎层2M通过隧道结2 与自由层214分离。读取电阻将是自由层214中畴数目的倍数中的一个。在单元210中，取决于每个畴的取向，可通过读取电流输出四个可能的电阻。正如可意识到的， 随着独立畴和区的数量增加，可存储较多的数据并作为更多的电阻输出。尽管存储单元210不限于图7中所示的配置，然而在一些实施例中，字线沿垂直于磁畴平面的轴延伸。如此，使畴沿如图7所示的水平面取向或沿垂直面(其中，畴垂直延伸)取向提供了垂直于字线212的纵轴的磁性配置。
可对单元210作出各种其它结构上和操作上的修改。在图8中提供一种这样的示例，图8显示了配置成利用通过单元230的电流读取和写入的示例性存储单元230。与图7 中具有用于控制逻辑状态编程的非接触字线212的单元210相比，单元230具有接触MTJ 234并用于提供读取和编程电流的单个控制线232。来自控制线232的电流可与激活选择设备236的选择电流协同操作，以完成控制线和源线238之间的电路。包括选择设备236允许将单元230实现为阵列，类似于图2的交叉点阵列，并可按需单独地编程或读取。当读取时，MTJ 234中存在的独立的双磁畴用作两个并联的独立 MTJ0 BP,MTJ 234的自由层中的大量的独立磁畴实际上充当着并联连接的单独MTJ。因此， 与串联的MTJ连接不同，通过分析并联连接的输出电阻，可以评估单元230中的任何读取电阻，以确定每个独立磁畴的所编程的逻辑状态。图9A和9B提供了读取诸如图5、7和8的存储单元之类的存储单元的逻辑状态的曲线图。图9A是读取示例性存储单元的操作图，其中参考所需电流和电阻表示各种逻辑状态。依据被编程至自由层每个独立磁畴的逻辑状态，由读取电流输出的单元电阻将改变并标识每个磁畴的所编程的磁化。单元的最低输出电阻与如自由层MO中所示的设置为共同方向的两个畴相对应， 其可在点A处被读取为一组合电阻，相对于并联的畴，可以对所述组合进行评估，以确定每个畴的逻辑状态。在点B，经历较高的电阻，其对应于由自由层242显示的畴的相反磁化。 继续具有更高的电阻，由自由层244表示的点C具有相反的磁化，其中两个畴中较强的一个被设置为自由层的形状各向异性所指示的硬磁性取向。点D类似地使两个畴设置为硬磁性取向，如自由层246所示，其并非巧合地对应于该单元的最高可能读取电阻。图9B示出对于给定电阻每个逻辑状态的隔离，其允许评估输出电阻以确定每个畴的磁化。在没有这种电阻隔离的情况下，输出电阻将不会可靠地对应于每个畴的特定磁化。尽管可利用共同的读取电流来确定各畴的磁化。如上所述，将磁化编程至一个或多个畴需要利用高于和低于预定阈值的电流。图10例示了单元操作例程250的流程图。例程250开始于提供具有可单独编程且独立的磁畴的铁磁自由层353，如由单元 352 —般性示出的。应注意到，单元352的多个畴被指示为不同长度的箭头，并且单元352 的籽晶层是可选的且不需要用它构造或操作存储单元。即，结合例程250示出的箭头长度对应于变化的磁场强度，诸如由于形状各向异性引起的多个畴的不同磁化。然后，在步骤254，将隧道阻挡层和钉扎层355沉积在自由层上，如单元3M所示。 在步骤2M之后，形成能够利用穿过自由层353的磁场或电流对其编程且读取的MTJ。在步骤2M之后，判定256确定自由层中每个畴的预期磁取向。尽管可利用两个以上的畴来配置自由层353，然而两个畴的存在与四个逻辑状态组合(01、11、10和00)相对应。当在判定256中确定“ 11 ”或“01 ”逻辑状态组合，则例程前进到步骤258，其中高于预定阈值的正电流穿过单元，如单元358所示。这种强的正电流生成足够大的磁通量，将自由层的两个畴编程到“1”逻辑状态。如果从判定256期望得到“01”组合，则步骤260使低于预定阈值的负电流通过自由层353，这设置一个畴的磁化同时不影响另一个畴的磁化。 在一些实施例中，在步骤沈0中经编程的畴对应于自由层353中具有较低磁矫顽力的较小部分，如单元360所示。
正如将意识到的，“正”和“负”电流的使用与电流流过字线的方向严格地相关，且决不需要电流具有负值。如单元348所示，负电流和相应的负磁通量仅仅是沿相对于正电流和通量相反的方向流动。 例程250可前进到不同的存储单元并再次开始，或在步骤260之后，在步骤邪4中提供的同一单元可返回至判定256，以被再次编程到不同的逻辑状态。在“00”或“10”是期望的逻辑状态组合的情况下，例程250从判定256前进至步骤沈2，其中生成高于预定阈值的负电流，如单元362所示，以将两个MTJ编程至“0”逻辑状态。在步骤沈4中进一步通过低于预定阈值的正电流，以将自由层353的畴之一编程至1逻辑状态，同时其他畴保持不变，如单元364所示。应注意到，编程例程250不限于图10所示的步骤和相应的示例性存储单元。可按需修改或省略各种步骤，同时可添加新步骤。例如，当连续编程和再编程逻辑状态时，判定 256可对同一的存储单元重复无限次。在另一个示例性修改中，可翻转所有的正和负电流协定，使得负电流产生逻辑状态1，同时负状态编程逻辑状态0。如本领域技术人员所能理解地，本文所示的各种实施例在存储单元编程和读取效率两者上都提供优点。因此，在存储单元中同时读取和写入两个位的能力需要较少的读取电流。此外，选择性编程一个位的能力允许较小的编程电流同时增加了数据容量。但是，要理解，本文所讨论的各种实施例具有许多潜在应用，且不限于某个电子介质领域或某个数据存储装置类型。要理解，即使已在前面的说明书中阐述了本发明各实施例的许多特征和优势以及本发明各种实施例的结构和功能的细节，该详细描述仅为解说性的，并可在细节上作出改变，尤其可在表述后附权利要求所用术语的宽泛意思所指示的最大可能范围内，对落入本发明原理内的各部分的结构与安排作出改变。
权利要求
1.一种存储单元，包括具有铁磁自由层的磁性隧道结(MTJ)，所述铁磁自由层具有多个磁畴，所述多个磁畴各自可独立编程至被读取为MTJ的逻辑状态的预定磁化。
2.如权利要求1所述的存储单元，其特征在于，第一畴存在于自由层的第一区中，所述第一区比第二畴所在的第二区宽。
3.如权利要求2所述的存储单元，其特征在于，所述第一和第二区由于形状各向异性而保持独立磁畴。
4.如权利要求2所述的存储单元，其特征在于，所述第一区具有第一宽度，所述第一宽度以直角凹口过渡到第二区的第二宽度。
5.如权利要求2所述的存储单元，其特征在于，所述第一区具有第一宽度，所述第一宽度以连续曲线侧壁过渡到第二区的第二宽度。
6.如权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述MTJ具有钉扎层，且隧道结具有与自由层的区域相同的宽度。
7.如权利要求2所述的存储单元，其特征在于，所述第一区具有比第二区低的磁矫顽力。
8.如权利要求1所述的存储单元，其特征在于，用不同的编程电流将不同的预定磁化被编程至畴。
9.如权利要求2所述的存储单元，其特征在于，所述第一和第二区横向相邻且各自接触隧道结层。
10.如权利要求1所述的存储单元，其特征在于，所述磁畴被读取为并联电阻。
11.如权利要求2所述的存储单元，其特征在于，所述第一和第二区具有连续的曲线侧壁。
12.一种方法，包括提供具有铁磁自由层的磁性隧道结(MTJ)，所述铁磁自由层具有多个磁畴；以及将可独立编程的畴的预定磁化读取为MTJ的逻辑状态。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，由流过字线的电流生成磁通量，其中所述字线与第一和第二 MTJ非接触地相邻。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述磁通量小于预定阈值。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，大于预定阈值的第二磁通量将所述畴编程到一共同的磁化。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一磁通量沿第一方向流动，且第二磁通量沿相反的第二方向流动。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，利用第二磁通量然后第一磁通量的连续通过将磁畴编程至相反磁化。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述MTJ被耦合到选择性地允许同时读取 MTJ的选择设备。
19.一种存储单元，包括具有铁磁自由层的磁性隧道结(MTJ)，所述铁磁自由层具有多个磁畴，所述多个磁畴对应于横向相邻的第一和第二区，所述第一和第二区由于形状各向异性而具有不同的磁矫顽力，每个磁畴可独立编程至被读取为MTJ的逻辑状态的预定磁化。
20.如权利要求19所述的存储单元，其特征在于，所述第一和第二区各自接触隧道结且具有相应的第一和第二宽度，所述第一宽度匹配MTJ的隧道结和钉扎层的共同宽度。
全文摘要
一种用于诸如多位磁性随机存取存储单元的非易失性存储单元的装置和相关联的方法。根据各种实施列，磁性隧道结(MTJ)具有铁磁自由层，铁磁自由层带有各自可独立编程至预定磁化的多磁畴。那些磁化以后可以读取为MTJ的不同逻辑形态。
文档编号H01L43/08GK102543180SQ20111037157
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月10日 优先权日2010年11月11日
发明者D·V·季米特洛夫, X·娄, Z·高 申请人:希捷科技有限公司