用於場復位自旋力矩mram的結構和方法

2023-05-19 16:39:16

專利名稱：用於場復位自旋力矩mram的結構和方法
用於場復位自旋力矩MRAM的結構和方法技術領域
這裡描述的示例性實施例一般涉及磁致電阻存儲器，特別涉及對具有場復位 (field-reset)能力的自旋力矩磁致電阻隨機存取存儲器(MRAM)進行讀取和編程的結構 和方法。
背景技術：
磁電子器件、自旋電子(spin electronic)器件以及自旋電子學(spintronic)器 件是同義詞，表示利用主要由電子自旋引起的效應的器件。在許多信息設備中使用磁電子 學來提供非易失的、可靠的、防輻射的高密度數據存儲和取回。所述許多磁電子信息設備包 括，但不限於，磁致電阻隨機存取存儲器(MRAM)、磁傳感器以及用於盤驅動器的讀/寫頭。
典型地，MRAM包括磁致電阻存儲元件陣列。每一個磁致電阻存儲元件典型地具有 下述結構，即，該結構包括通過各種非磁性層分開的多個磁性層，例如磁隧道結(MTJ)，並且 展現出取決於該器件的磁性狀態的電阻。信息存儲為磁性層中的磁化矢量的方向。一個磁 性層中的磁化矢量被磁性固定或釘扎，而另一個磁性層的磁化方向可以自由地在相同方向 或相反方向(分別稱為「平行」狀態和「反平行」狀態)之間切換(switching)。對應於平 行和反平行磁性狀態，該磁性存儲元件分別具有低電阻狀態和高電阻狀態。相應地，對該電 阻的檢測使得諸如MTJ器件的磁致電阻存儲元件能夠提供該磁性存儲元件中存儲的信息。 有兩種完全不同的方法用於對自由層進行編程場切換和自旋力矩切換。在場切換MRAM 中，使用鄰近MTJ位的載流線來產生對自由層起作用的磁場。在自旋力矩MRAM中，用通過 該MTJ自身的電流脈衝來實現切換。自旋極化隧道效應電流所攜帶的角動量導致自由層翻 轉，而最終狀態(平行或反平行)是由電流脈衝的極性確定的。已知在被形成圖案或者以 其它方式布置以使得電流基本上垂直於界面流動的MTJ器件和巨磁致電阻器件中，以及在 電流基本上垂直於疇壁流動的簡單線狀結構中，發生自旋力矩轉移。任何這樣展現磁致電 阻的結構都有可能成為自旋力矩磁致電阻存儲元件。
自旋力矩MRAM(ST-MRAM)，也稱為「自旋力矩轉移RAM(STT-RAM) 」，是一種新興的 存儲技術，其可能具有無限持久的非易失性以及在遠高於場切換MRAM的密度下的快速的 寫入速度。由於ST-MRAM切換電流需求隨著MTJ尺寸減小而降低，ST-MRAM有可能在甚至更 高級的技術節點也能令人滿意地按比例縮放。然而，MTJ電阻增加的可變性和在兩個電流方 向下都保持相對高的切換電流通過位單元選擇器件可能限制ST-MRAM的按比例縮放能力。 一個方向的寫入電流通常比另一個方向的高，因此選擇器件必須能夠通過兩個電流中較大 的一個。另外，隨著寫入電流脈衝持續時間縮短，ST-MRAM切換電流要求提高。因此，最小 的ST-MRAM位單元方案可能需要相對長的切換時間。
一種管理隨著ST-MRAM按比例縮放而增加的MTJ電阻可變性的方案是使用自參考 讀取操作來確定位的狀態。一種這樣的自參考讀取操作會將一個位偏置到期望的電壓，並 保持反射所需要的電流的參考電壓，然後將該位切換的已知狀態。可以通過比較將該位偏 置在新的狀態所需要的電流和偏置在原始狀態所需要的電流來確定該位的原始狀態。電流沒有改變將表示原始狀態與切換後的狀態相匹配，而電流在期望的方向上的改變將表示原 始狀態與切換後的狀態相反。
自參考讀取操作可以克服MTJ電阻變化的影響，它也會增加讀取時間要求。自參 考讀取操作所需要的相對長的時間，連同相對長的ST-MRAM寫入時間(例如與靜態隨機存 取存儲器(SRAM)相比)，使得高順序帶寬讀寫方案(如動態隨機存取存儲器(DRAM)中所使 用的)變得更加值得期待。在DRAM所使用的方案中，同時讀取一個大頁面的位(幾千個)， 將每一個的值分別存儲在鎖存器中，然後以高得多的速度將這一頁面的位的子集從這一部 分中讀出。為了寫入DRAM，類似地將數據寫入頁面的子集，然後是完成寫入過程而需要的時 間。諸如同步動態隨機存取存儲器(SDRAM)和雙倍數據速率(DDR)DRAM的DRAM接口被設 計為使順序帶寬最大化，同時允許DRAM技術自然地慢的隨機循環時間。ST-MRAM可以受益 於類似的方案；然而，一個關鍵的挑戰將是管理以高帶寬讀寫大頁面的位所需要的功率。
因此，希望提供這樣的ST-MRAM結構和方法，其縮短自參考讀取操作，降低當對多 個位執行自參考讀取操作時的功率要求，或者使得存儲器能夠通過僅需要在具有較低關鍵 電流要求的那一個方向上施加電流通過MTJ的ST-MRAM切換而運行。另外，從接下來的詳 細描述和所附權利要求書，結合說明書附圖以及前面的技術領域和背景技術部分，示例性 實施例的其它希望的特徵和特性將變得明顯。發明內容
提供了一種用於對自旋力矩磁致電阻隨機存取存儲器進行編程和讀取的方法和 設備。
該設備包括多個磁致電阻存儲元件，通常是具有兩個穩定磁性狀態的MTJ位；金 屬復位線，靠近該多個磁致電阻存儲元件中的每一個磁致電阻存儲元件定位，並且被配置 為通過在預定大小和方向的電流流過該金屬復位線時產生磁場來將該多個磁致電阻存儲 元件設置到已知狀態；位線，耦接到該多個磁致電阻存儲元件；以及耦接到位線並被配置 為經位線向該多個磁致電阻存儲元件中所選擇的磁致電阻存儲元件施加自旋力矩轉移電 流的電路。附加的相關電路存儲從該磁致電阻存儲元件陣列讀取以及向該磁致電阻存儲元 件陣列寫入的數據，並且使得能夠經接口訪問所存儲的數據。
一種示例性方法實施例包括通過經金屬復位線施加電流以向該多個磁致電阻存 儲元件中的每一個磁致電阻存儲元件施加磁場，來將該多個磁致電阻存儲元件設置為第一 狀態；以及通過從該電路經該多個磁致電阻存儲元件中選定的磁致電阻存儲元件向位線施 加自旋力矩轉移電流，將所選磁致電阻存儲元件編程為第二狀態。
另一種示例性方法實施例包括感測該多個磁致電阻存儲元件中的每一個磁致電 阻存儲元件的電阻；通過經金屬復位線施加電流以向該多個磁致電阻存儲元件中的每一個 磁致電阻存儲元件施加磁場，來將該多個磁致電阻存儲元件設置為第一狀態；感測該多個 磁致電阻存儲元件中的每一個磁致電阻存儲元件的電阻；以及通過從該電路經選定的磁致 電阻存儲元件向位線施加自旋力矩轉移電流，對被確定已發生改變的磁致電阻存儲元件進 行編程以返回第二狀態。
在另一個示例性實施例中，感測該多個磁致電阻存儲元件中的每一個磁致電阻存 儲元件的電阻；通過經金屬復位線施加電流以向該多個磁致電阻存儲元件中的每一個磁致電阻存儲元件施加磁場，來將該多個磁致電阻存儲元件設置為第一狀態；感測該多個磁致 電阻存儲元件中的每一個磁致電阻存儲元件的電阻；識別並存儲由設置步驟之後的電阻改 變確定的代表每一個磁致電阻存儲元件的初始狀態的數據；改變一個或多個所存儲的數 據；以及響應於所存儲的數據，將該多個磁致電阻存儲元件中所選定的磁致電阻存儲元件 編程為第二狀態。


下面將結合後面的附圖描述本發明，其中相同的附圖標記表示相似的元件，並且
圖1是典型的場切換MRAM存儲元件陣列；
圖2圖解了在典型的場切換MRAM存儲元件陣列的存儲元件處產生的磁場；
圖3是典型的自旋力矩存儲單元；
圖4是MRAM集成陣列的兩個單元的示例性實施例；
圖5是MRAM集成陣列的兩個單元的另一個示例性實施例；
圖6是MRAM集成陣列的兩個單元的另一個示例性實施例；
圖7是用於對圖4、5、6的MRAM集成陣列進行編程的操作方法的流程圖8是用於對圖4、5、6的MRAM集成陣列進行讀取的操作方法的流程圖9是用於對圖4、5、6的MRAM集成陣列進行讀取和編程的操作方法的流程圖10是包括讀出放大器和寫入電路的示例性實施例的方框圖。
圖11是包括NMOS電晶體以在圖4和6的MRAM集成陣列中提供單向讀取電流和 自旋力矩轉移電流的示例性實施例的示意圖12是包括二極體以在圖4和6的MRAM集成陣列中提供單向讀取電流和自旋力 矩轉移電流的示例性實施例的示意圖；以及
圖13是包括雙極電晶體以在圖4和6的MRAM集成陣列中提供單向讀取電流和自 旋力矩轉移電流的示例性實施例的示意圖。
具體實施方式
下面的詳細描述本質上只是描述性的，而不是意圖限制該主題的實施例或者這些 實施例的應用和使用。這裡作為示例描述的任何實現方式都並非必然地解釋為比其它實現 方式優選或有利。另外，不希望受前面的技術領域、背景技術、發明內容或下面的詳細描述 中給出的明示或暗示的理論的約束。
磁致電阻隨機存取存儲器(MRAM)陣列包括位於多個磁致電阻位中的每一個磁致 電阻位附近的金屬復位線。寫入操作，或者說編程操作，在將電流施加到金屬復位線以產生 磁場來將該多個位設置到復位狀態時開始。然後將自旋力矩轉移(STT)電流施加到多個磁 致電阻位中所選擇的那些磁致電阻位，以將所選擇的位切換到相反的編程狀態。在讀取操 作中，在利用編程線產生復位磁場之前，感測該多個位中的每一個位的電阻。在產生磁場改 變位的狀態使其處於相反編程狀態之後再次感測該電阻，由此使得能夠確定所有位的初始 狀態。然後向那些電阻與施加磁場之前不同的磁致電阻位施加STT電流，使其返回到其原 始狀態。一些實施例需要在僅一個方向上施加STT電流，並且允許使用雙極技術來提供STT 電流。
MRAM技術使用磁性組件來實現非易失性、高速操作和優良的讀/寫耐久性。圖1 圖解了具有一個或多個存儲元件12的傳統存儲元件陣列10。一種類型的磁致電阻存儲元 件的例子，磁隧道結(MTJ)兀件,包括磁化方向相對於外部磁場固定的固定鐵磁層14和磁 化方向隨著外部磁場而自由轉動的自由鐵磁層16。固定層和自由層由絕緣隧道勢壘層18 分隔開。存儲元件12的電阻取決於自旋極化電子隧穿通過自由鐵磁層和固定鐵磁層之間 的隧道勢壘層的現象。隧穿現象與電子自旋有關，使得MTJ元件的電氣響應是相對磁化取 向和自由鐵磁層與固定鐵磁層之間的傳導電子的自旋極化的函數。
存儲元件陣列10包括導體20，也稱為「數字線(digit line) 20」，沿著存儲元件 12的行延伸；導體22，也稱為「位線(bit line) 22」，沿著存儲元件12的列延伸；以及導體 19，也稱為「底部電極19」，與固定層14電接觸。雖然底部電極19接觸固定鐵磁層14，數 字線20與底部電極19被例如電介質材料(未示出)分隔開。存儲元件12位於數字線20 和位線22的交叉點。通過給底部電極19和位線22施加電流來切換存儲元件12的自由層 16的磁化方向。該電流產生磁場，該磁場將所選擇的存儲元件的磁化取向從平行切換為反 平行，反之亦然。為了在讀取操作中感測元件12的電阻，使電流從襯底(未示出)中的晶 體管通過連接到底部電極19的導電通路(未示出)流過。
圖2圖解了由傳統的線狀數字線20和位線22產生的場。為了簡化對MRAM器件 10的描述,如圖所示,將參照x-y坐標系50來提及所有方向。位電流Ib 30如果沿正X方 向流動則被定義為正，而數字電流Id 34如果沿正y方向流動則被定義為正。正的位電流 Ib 30流過位線22導致環繞位磁場Hb 32，而正的數字電流Id 34將感生出環繞數字磁場Hd 36。磁場Hb 32和Hd 36結合以切換存儲元件12的磁化取向。
如圖2所示，使用由鄰近存儲元件的載流線產生的磁場的傳統MRAM切換技術具有 一些實際限制，特別是當設計要求將位單元縮放到更小的尺寸時更是如此。例如，減小MTJ 元件的物理尺寸導致針對由於熱波動而產生的不期望的磁化反轉的穩定性降低，這是因為 隨著自由層體積減小，對於熱反轉的能量勢壘減小。可以通過增大磁各向異性來增強位的 穩定性，而這也導致增大切換場。對於每毫安培電流Id 34或Ib 30，磁場Hd 36或％ 32的 大小隨著線寬度的減小而增大，這將有助於達到更高的切換場，但這只是在將線按比例移 動為更加靠近MTJ的情況下才如此，而這通常是不可能的。另外，隨著線寬度減小，線電阻 增大，要求較短的線，這導致較低的陣列效率。此外，逐個位之間切換場的變化隨著位尺寸 的減小而增大，這要求更大的電流來克服該分布，並實現可靠的切換。
雖然詳細描述了 ST-MRAM，但是這裡描述的一些編程和讀取技術也可以在場切換 MRAM和相變存儲器中實施。在場切換MRAM中，將由經過產生磁場以切換所選擇的位的兩 條寫入線的電流脈衝來替代STT編程電流。在相變存儲器中，將優化復位線，以產生將多個 位復位到第一電阻態的熱脈衝，而不是產生ST-MRAM實施例所需要的磁場脈衝。在例如圖 3所示的結構60的ST-MRAM器件中，通過使用隔離電晶體42迫使電流40直接通過構成磁 隧道結12的材料疊層，來對位進行寫入。一般而言，通過流過一個鐵磁層(14或16)而被 自旋極化的寫入電流40對隨後的層施加自旋力矩。這一力矩可以用來通過改變寫入電流 極性來使自由層16的磁化在兩個穩定狀態之間切換。
簡而言之，在電子經過磁體/非磁體/磁體三層結構中的第一磁性層之後，電流變 為自旋極化的，其中第一磁性層被通過現有技術中已知的多種方法中的任何一種基本上固定在其磁化取向上。自旋極化的電子穿過非磁性間隔，然後根據自旋角動量守恆，對第二磁 性層施加自旋力矩，這使得將第二層的磁化取向切換為平行於第一層的磁化取向。如果施 加相反極性的電流，則電子反過來首先流過第二磁性層。在穿過非磁性間隔之後，對第一磁 性層施加自旋力矩。然而，因為其磁化是固定的，所以第一磁性層並不切換。同時，一部分 電子將隨後從第一磁性層反射，並在與第二磁性層發生相互作用之前返回穿過非磁性間隔 行進。在這種情況下，自旋力矩起作用，從而將第二磁性層的磁化取向切換為反平行於第一 層的磁化取向。自旋力矩切換僅在電流40超過該元件的臨界電流I。時發生。該電路所使 用的自旋力矩切換電流被選擇為在一定程度上高於存儲元件的平均I。，從而在施加切換電 流時，所有元件都將可靠地切換。
參考圖4，示例性磁致電阻存儲器陣列400包括以半導體工業中已知的方式形成 在襯底402之中和之上的開關器件404和406。開關器件404和406被示為CMOS電晶體， 但是作為替換，也可以是下面將詳細描述的二極體或雙極電晶體。開關器件404包括電極 412和414、溝道區416以及柵極418。開關器件406包括電極412和424、溝道區426以及 柵極428。操作中，電壓VSS施加到導電區442。
在電介質材料430中形成有通路432、434、436，以將電極412耦接到導電區442， 將電極414耦接到導電區444，並將電極424耦接到導電區446。導電區442、444、446是在 同一工藝步驟中形成的，並且通過半導體工業中已知的工藝彼此隔離。導線466被配置為 接收復位電壓，並且也可以被稱為「復位線」。電介質材料430中形成有通路452和454，以 將導電區444耦接到導電區462，將導電區446耦接到導電區464。導電復位線466是在與 形成導電區462和464的工藝步驟相同的工藝步驟中形成的。復位線466優選地包括沿著 線長度方向位於線的三個側面上的磁透覆蓋材料，以將磁場匯聚到MTJ位所在的第四個側 面之上。
電介質材料430中形成有可縮放磁致電阻存儲元件472、474。當使用MTJ器件時， 每一個MTJ器件包括底部電極484之上、並且被隧道勢壘486分隔開的自由層482和固定 區485。在此圖示中，為了描述本發明實施例時的簡潔性，僅示出了兩個磁致電阻存儲元件 472、474，但是應當明白，MRAM陣列可以包括許多磁致電阻存儲元件。自由層482耦接到第 一導線408、可縮放磁致電阻存儲元件472、474的固定區485分別通過電極484和通路492、 494耦接到導電區域462、464。
固定磁性區485為本領域所公知，並且通常包括釘扎的合成反鐵磁體，其包括鐵 磁固定層、耦合間隔層、被釘扎的鐵磁層以及可選的反鐵磁釘扎層。固定的鐵磁層被定位為 與隧道勢壘相接觸。耦合間隔層位於固定的鐵磁層和被釘扎的鐵磁層之間。反鐵磁釘扎層 在被釘扎的鐵磁層之下並與被釘扎的鐵磁層接觸。鐵磁固定層和釘扎層分別具有通常被耦 合間隔層保持為反平行的磁矩矢量和通常被反鐵磁釘扎層保持在固定方向上的磁矩矢量。 因此，固定磁性區485的磁矩矢量不能自由轉動，並被用作參考。耦合間隔層由在鄰近其兩 個相反表面並與其兩個相反表面接觸的兩個鐵磁層之間產生反平行耦合的任何合適的非 磁性材料製成。典型地，耦合層是展現振蕩耦合現象的層，例如，元素Ru、Os、Re、Cr、Rh、Cu 中的至少一種或者其組合，其厚度被選擇以實現強反平行耦合。可選的釘扎層可以包括諸 如PtMn、IrMn、FeMn> PdMn、或其組合的反鐵磁材料。然而,本領域技術人員將會理解，固定 磁性區484可以具有任何適於提供與隧道勢壘相接觸以提供固定磁性參考方向的固定磁性部分的結構。
自由層482具有響應於所施加的場或STT電流(下文中討論)而自由轉動的磁矩 矢量。在沒有STT電流的情況下，磁矩矢量的取向沿著自由層的各向異性易磁化軸。
自由層482的易磁化軸的取向為與復位線466產生的磁場的方向成大約30度到 大約60度範圍內的角度。在本發明的優選實施例中，自由層482的易磁化軸的取向與復位 線466產生的磁場的方向成大約45度角。可以容易地示出，對於具有類似斯通納-沃法爾 斯(Stoner-Wohlfarth)的切換星形線的典型自由層,如果以與該位的易磁化軸成45度的 角度施加切換場，那麼切換場被減小一半。因此，將該位復位所需的電流也被減小一半，這 使得復位需要較少的功率。在存在所施加的場或STT電流的情況下，自由層482的磁矢量 自由轉動。在存在所施加的場或STT電流的情況下，固定層485的磁矢量不自由轉動，並被 用作參考層。
自由層482、固定層、以及釘扎層可以由任何合適的鐵磁材料以及所謂的半金屬鐵 磁物質製成，鐵磁材料有例如N1、Fe、Co中的至少一種或其合金以及其中混入了諸如B、Ta、 V、Si和C的其它元素的其它有用合金，半金屬鐵磁物質有例如NiMnSb、PtMnSb, Fe3O4或 Cr02。隧道勢壘486可以由諸如A10x、Mg0x、Ru0x、Hf0x、Zr0x、Ti0x、或這些元素的氮化物、 氧氮化物構成。
在製造MRAM陣列體系架構400的過程中，每一個後繼的層都是按順序沉積或以其 它方式形成的，並且每一個MTJ器件400都可以使用半導體工業中任何已知的技術，通過選 擇性沉積、光刻工藝、蝕刻等來限定。典型地，MTJ的各層是通過諸如物理氣相沉積的薄膜 沉積技術形成的，物理氣相沉積包括磁控濺射、離子束沉積或熱蒸鍍。在沉積MTJ的至少一 部分的過程中，提供磁場，以在(已誘發內在各向異性的)材料中設置首選各向異性易磁化 軸。另外，典型地，在將MTJ疊層暴露於方向沿著首選各向異性易磁化軸的磁場的同時，以 提高的溫度對MTJ疊層進行退火，以進一步設置內在各向異性方向，並且在使用反鐵磁釘 扎層時設置釘扎方向。所提供的磁場為鐵磁材料中的磁矩矢量創建首選易磁化軸。除了內 在各向異性，被形成圖案為其形狀具有大於一的高寬比的存儲元件將具有形狀各向異性， 這一形狀和內在各向異性的結合限定了易磁化軸，易磁化軸優選平行於存儲元件的長軸。 在一些情況下，使用具有強的垂直磁各向異性(PMA)的自由層材料，使得自由層的易磁化 軸垂直於膜平面，並且兩個穩定磁性狀態具有磁化矢量的方向大體上指向或離開隧道勢壘 的特徵，將是有利的。本領域已知的這種PMA材料包括一些有序LlO合金，例如FePt、FePd、 CoPt, FeNiPt ；以及一些人造多層結構，例如 Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Ru、Co/Au、Ni/Cu。 如果自由層的易磁化軸垂直於膜平面，那麼磁致電阻存儲元件472、474將不被設置為相對 於復位線466位於中間位置，而是朝復位線466的一個邊緣偏移，以使得其經受由復位線 466產生的場的顯著垂直分量。
在MRAM陣列體系架構400中，電介質材料430可以是氧化矽、氮化矽(SiN)、氧氮 化矽(SiON)、聚醯亞胺或其組合。導線408和通路432、434、436、452、454、492、494優選是 銅，但是應當理解，它們可以是其它材料，例如鉭、氮化鉭、銀、金、鋁、鉬或其它合適的導電 材料。
圖5示出了另一種示例性MRAM陣列體系架構500，其中用相同的附圖標記來表示 相似的結構。對於襯底402 ;開關器件404、406 ;通路432、434、436、452、454 ;導電區域442、444、446、466 ;以及磁致電阻存儲元件472、474，製作工藝和材料成分與圖4中的相似，不再 重複描述。圖5的磁致電阻存儲器500和圖4的磁致電阻存儲器400之間的差異包括導電 區466 (編程或復位線)位於磁致電阻存儲元件472、474的上方，以及導電區442用作位線。 MRAM陣列體系架構500提供一種小位單元，其對於通過復位線466的給定電流具有增大的 場發生能力，這是因為復位線466的位置可以更接近磁致電阻存儲元件472、474。
圖6不出了另一種不例性MRAM陣列體系架構600,其中用相同的附圖標記來表不 相似的結構。對於襯底402 ;開關器件404、406 ;通路432、434、436、452、454 ;導電區域442、 444、446、466 ;導電位線408 ;以及磁致電阻存儲元件472、474，製作工藝和材料成分與圖4 中的相似，不再重複描述。導電區442被配置為接收電壓VSS，而導電層408用作位線。圖 6的磁致電阻存儲器600和圖4的磁致電阻存儲器400之間的差異包括復位線466位於磁 致電阻存儲元件472、474上方並與其分隔開。磁致電阻存儲器600的結構提供與500類似 的小位單元，但是，通過使復位線466與磁致電阻存儲元件472、474電隔離(與存儲器400 相似)，消除了電壓下拉復位線466對感測操作的任何負面影響和STT電流的施加。如果自 由層的易磁化軸垂直於膜平面，那麼磁致電阻存儲元件472、474將不被設置為相對於復位 線466位於中間位置，而是朝復位線466的一個邊緣偏移，使得其經受由復位線466產生的 場的顯著垂直分量。
對於上面討論的磁致電阻存儲器400、500、600，通過位置鄰近多個磁致電阻存儲 元件472、474中的每一個的復位線466施加電流來創建磁場，並將磁場施加給多個磁致電 阻存儲元件472、474，並將磁致電阻存儲元件472、474中的每一個設置為第一狀態。然後 將STT電流施加給多個磁致電阻存儲元件中選定的磁致電阻存儲元件，以將所選的磁致電 阻存儲元件472、474的狀態改變為第二狀態。更具體地，參考圖7的流程圖，提供了一種 對ST-MRAM進行編程的方法，包括通過經復位線466施加電流以向多個磁致電阻存儲元件 472,474中的每一個施加磁場，來將該多個磁致電阻存儲元件472、474設置702為第一狀 態；以及通過從電路404、406經位線408 (圖4、6)和442 (圖5)向該多個磁致電阻存儲元 件中選定的磁致電阻存儲元件472、474施加STT電流，將所選磁致電阻存儲元件編程704 為第二狀態。
在可替換實施例中，在存儲元件復位期間，除了經復位線466施加的電流之外，還 有電流流過存儲元件。流過存儲元件的這一電流可以足夠大，以導致對自由層的磁力加熱， 從而減小自由層的磁化和存儲元件的相應切換場。在切換場減小的情況下，復位場和復位 電流也減小，這對於更低的功率和電路設計的靈活性而言都是所希望的。加熱電流的大小 可以類似於ST切換所需要的電流，並且極性也可以相同。儘管針對自由層的ST與該磁場 產生的切換力矩相反，但是該場力矩佔主導，從而存儲元件被復位到正確的狀態。在該可替 換實施例的優選方法中，在場復位電流減小到O之前，關閉加熱電流。
一種從ST-MRAM讀取數據的方法包括第一感測每一個磁致電阻存儲元件472、474 的電阻，然後施加電流經過鄰近多個磁致電阻存儲元件472、474中的每一個設置的復位線 466,以創建磁場，並將該磁場施加到該多個磁致電阻存儲兀件472、474，並將每一個磁致電 阻存儲元件472、474設置到第一狀態。然後執行第二感測，以感測磁致電阻存儲元件472、 474的電阻。從第一感測到第二感測、電阻對應於磁性狀態改變而發生改變的磁致電阻存 儲元件472、474被識別出。對應於磁性狀態改變電阻發生或未發生改變的存儲元件的順序表示該磁致電阻存儲元件中存儲的數據。然後向所識別出的磁致電阻存儲元件472、474施 加STT電流，以將所識別出的磁致電阻存儲元件472、474的狀態改變到第二狀態。更具體 地，參考圖8的流程圖，提供了一種方法以讀取ST-MRAM，包括對於多個磁致電阻存儲元件 472,474中的每一個感測802電阻；通過經復位線466施加電流以向該多個磁致電阻存儲 元件472、474中的每一個施加復位場，來將該多個磁致電阻存儲元件472、474設置804為 第一狀態；感測806所述多個磁致電阻存儲元件中磁性狀態響應於復位場而發生改變的至 少一個磁致電阻存儲元件的改變；以及通過從電路404、406經位線408 (圖4、6)和442 (圖 5)向所選磁致電阻存儲元件472、474施加STT電流，將電阻發生改變的至少一個磁致電阻 存儲元件472、474編程808為第二狀態，由此使該多個MTJ位返回其原始狀態。
一種ST-MRAM電路的操作方法包括將已經從多個磁致電阻存儲元件472、474讀 取的數據存儲到相關電路，例如多個鎖存器，使得用戶能夠從該電路執行讀取操作以及對 該電路執行可以改變所存儲的數據中的一個或多個存儲狀態的寫入操作；以及將那些所存 儲的狀態寫入該多個磁致電阻存儲元件472、474。更具體地，參考圖9的流程圖，提供了一 種對磁致電阻存儲器進行編程的方法，包括對於多個磁場發生器結構472、474中的每一 個感測902電阻；通過經復位線466施加電流以向每一個磁致電阻存儲元件472、474施加 復位場，來將磁致電阻存儲元件472、474設置904為第一狀態；感測906多個磁致電阻存儲 元件472、474中任何一個的電阻改變；識別908代表磁致電阻存儲元件472、474的初始狀 態的數據，並將該數據存儲到相關電路；改變910該相關電路中所存儲的數據中的一個或 多個所存儲的狀態；以及響應於所存儲的數據，通過從電路404、406經位線408(圖4、6)和 442 (圖5)向所選磁致電阻存儲元件472、474施加STT電流，根據需要將一些磁致電阻存儲 元件472、474編程912為第二狀態，以代表所存儲的數據。
圖10是可以在磁致電阻存儲器400、500、600中用來執行圖8的方法以通過感測 每一個磁致電阻位472、474的電阻來對磁致電阻存儲元件進行編程的典型感測電路1000 的方框圖。讀出放大器1002和寫入電路1004耦接到圖4和6的位線408和圖5的位線 442。讀出放大器1002感測磁致電阻存儲元件472、474的電阻，並向外提供數據到寫入電 路1004，寫入電路1004用於對磁致電阻存儲元件472、474進行編程。對於圖9的方法，讀 出放大器包括前置放大器1006和鎖存器1008。由前置放大器1006所感測的電阻作為數 據存儲在鎖存器1008中。用戶可以在磁致電阻存儲元件位被編程之前改變(步驟910)數 據。
圖7、8、9的流程圖是適於與磁致電阻存儲器一起使用的例子。應當明白，這些方 法可以包括任何數量的附加的或者另選的任務，所示出並討論的任務不需要按所講述的順 序執行，並且附加的步驟可以併入具有這裡沒有詳細描述的附加功能的更綜合的過程或工 藝。此外，只要預期的整體功能保持不變，所示出或描述的一個或多個任務可以從這些方法 之一中省略。
圖4、5、6中示出的磁致電阻存儲器400、500、600包括NMOS作為開關器件404、 406，並且在圖11的示意圖中表示。開關器件404、405耦接在位線BLl和地之間，開關器件 406、407耦接在位線BLO之間。磁致電阻存儲元件472、473分別耦接在位線BLO和開關器 件404、405的電極之間。磁致電阻存儲元件474、475分別耦接在位線BLO和開關器件406、 407的電極之間。開關器件404、406的柵極耦接到字線WL1，開關器件405、407的柵極耦接到字線WL0。開關器件404、405、406、407的這種配置使得單向STT電流能夠對磁致電阻存 儲器400、500、600、700進行編程。還示出了施加STT電流或讀取偏置電流經過磁致電阻存 儲元件472而不向磁致電阻存儲元件473、474、475施加電流所需要施加給BLO、BLU WL0、 WLl的電壓的示例性條件。向NMOS器件404和406的柵極施加電壓使得電流通路能夠在磁 致電阻存儲元件472、474的底電極接地，而向NMOS器件405和407的柵極施加地電壓將在 磁致電阻存儲元件473和475的底電極處保持開路。另外，向BLl施加正電壓，例如VDD，使 得電流流過磁致電阻存儲元件472，而不流過磁致電阻存儲元件473。向BLO施加地電壓防 止電流流過磁致電阻存儲元件474或475。
這些開關器件404、405、406、407可以另選地包括二極體1204、1205、1206、 1207(圖 12)或雙極電晶體 1304、1305、1306、1307(圖 13)。類似於圖 11，BLO、BLU WL0、 WLl上示出的示例性電壓條件展示了選擇性地施加電流經過磁致電阻存儲元件472而不向 磁致電阻存儲元件473、474和475施加電流。具體說來，在圖12中，向BLl和WLO施加正電 壓，例如VDD，同時向BLO和WLl施加地電壓，使得二極體1204被正向偏置，並且傳導電流經 過磁致電阻存儲元件472，而二極體1205、1206和1207被反向偏置，並且沒有電流流過磁致 電阻存儲元件473、474和475。在圖13中，與圖12中描述的相同的電壓條件將BJT 1304 的基極-發射極端子正向偏置，並且使得電流經磁致電阻存儲元件472而流到BJT 1304的 集電極再到地，而BJT 1305、1306和1307的基極發射極端子保持反向偏置，沒有電流流過 磁致電阻存儲元件473、474和475。通過這些例子，可以看到如何可以向包含若干行和若干 列磁致電阻存儲元件的陣列中的一個或多個磁致電阻存儲元件選擇性地施加電流。
可以理解，作為如圖4、5、6中所示，在襯底中形成電晶體404、405、406、407 ;二極 管1204、1205、1206、1207 ;或雙極電晶體1304、1305、1306、1307的替代，可以將其形成在金 屬層之間，從而使得可能形成多個垂直層的存儲元件。
已經示出，磁致電阻存儲器400、500、600結構及其操作方法使得能夠執行更快的 自參考讀操作，減小對多個位執行自參考讀操作時的功率要求，或者使得存儲器能夠與要 求僅在一個方向上施加電流經過MTJ的ST-MRAM切換一起使用。
儘管前面的詳細描述中給出了至少一個示例性實施例，但是應該明白，存在大量 的變種。還應當明白，示例性實施例僅是例子，並不意圖以任何方式限制本發明的範圍、適 用範圍、或配置。相反，前面的詳細描述將向本領域技術人員提供方便的路線圖來實現本發 明的示例性實施例，應當理解，可以在示例性實施例中描述的元件的功能和布置方面進行 各種改變，而不脫離所附權利要求書中所闡明的本發明的範圍。
權利要求
1.一種操作自旋力矩磁致電阻存儲器的方法，所述自旋力矩磁致電阻存儲器包括耦接到多個磁致電阻存儲元件中的每一個磁致電阻存儲元件的位線、耦接到所述位線的電路、以及位於所述多個磁致電阻存儲元件附近的金屬復位線，該方法包括 通過經所述金屬復位線施加復位電流以向所述多個磁致電阻存儲元件中的每一個磁致電阻存儲元件施加磁場，來將所述多個磁致電阻存儲元件設置為第一狀態；以及 通過從所述電路經所述多個磁致電阻存儲元件中選定的磁致電阻存儲元件向所述位線施加自旋力矩轉移電流，將所選磁致電阻存儲元件編程為第二狀態。
2.根據權利要求1的方法，其中所述電路包括雙極電晶體，並且施加自旋力矩轉移電流的步驟包括經所述雙極電晶體向所述位線施加所述自旋力矩轉移電流。
3.根據權利要求1的方法，其中所述電路包括字線和耦接到所述字線的二極體，並且施加自旋力矩轉移電流的步驟包括經所述二極體向所述字線施加所述自旋力矩轉移電流。
4.根據權利要求1的方法，其中每一個所述磁致電阻存儲元件都包括磁隧道結器件，所述磁隧道結器件具有被隧道勢壘分隔開的固定磁性區和自由磁性區。
5.根據權利要求1的方法，還包括在經所述金屬復位線施加所述復位電流時經所述位線施加加熱電流。
6.根據權利要求1的方法，其中所述磁致電阻存儲元件的易磁化軸與所述磁場成30度至60度之間的夾角。
7.根據權利要求1的方法，還包括 在復位步驟之前，感測所述多個磁致電阻存儲元件中的每一個磁致電阻存儲元件的電阻；以及 在設置步驟之後，感測所述多個磁致電阻存儲元件中的每一個磁致電阻存儲元件的電阻，其中編程步驟僅對在復位步驟之後對應於磁性狀態的改變而電阻發生改變的磁致電阻存儲元件進行編程。
8.根據權利要求7的方法，其中所述電路包括雙極電晶體，並且施加自旋力矩轉移電流的步驟包括經所述雙極電晶體向所述位線施加所述自旋力矩轉移電流。
9.根據權利要求7的方法，其中所述電路包括字線和耦接到所述字線的二極體，並且施加自旋力矩轉移電流的步驟包括經所述二極體向所述字線施加所述自旋力矩轉移電流。
10.根據權利要求7的方法，還包括 在編程步驟之前，識別並存儲根據由設置步驟導致的電阻改變確定的、代表每一個磁致電阻存儲元件的初始狀態的數據；以及 使所存儲的數據能夠通過附加的接口電路而被讀出。
11.根據權利要求7的方法，還包括 在編程步驟之前，識別並存儲根據設置步驟之後的電阻改變確定的、代表每一個磁致電阻存儲元件的初始狀態的數據；以及 改變一個或多個所存儲的數據， 其中編程步驟響應於所存儲的數據將所述多個磁致電阻存儲元件中所選擇的磁致電阻存儲元件編程為第二狀態。
12.根據權利要求11的自旋力矩磁致電阻存儲器，其中所述電路包括被配置為施加所述自旋力矩轉移電流的雙極電晶體。
13.根據權利要求11的自旋力矩磁致電阻存儲器，其中所述電路包括被配置為提供所述自旋力矩轉移電流的二極體。
14.根據權利要求11的自旋力矩磁致電阻存儲器，還包括感測電路，被配置為感測所述多個磁致電阻存儲元件中的每一個磁致電阻存儲元件的電阻。
15.根據權利要求11的方法，其中改變一個或多個所存儲的數據的步驟包括 使用所存儲的數據的至少一部分來檢測所存儲的數據中的錯誤；以及 使用附加電路來改變所存儲的數據以校正所檢測出的錯誤。
16.一種自旋力矩磁致電阻存儲器，包括 多個磁致電阻存儲元件； 金屬復位線，鄰近所述多個磁致電阻存儲元件中的每一個磁致電阻存儲元件設置，並且被配置為通過在預定大小和方向的電流流過所述金屬復位線時產生磁場來將所述多個磁致電阻存儲元件設置到已知狀態； 位線，耦接到所述多個磁致電阻存儲元件；以及 耦接到所述位線並被配置為經所述位線向所述多個磁致電阻存儲元件中所選擇的磁致電阻存儲元件施加自旋力矩轉移電流的電路。
17.根據權利要求16的自旋力矩磁致電阻存儲器，其中所述電路包括被配置為提供所述自旋力矩轉移電流的雙極電晶體。
18.根據權利要求16的自旋力矩磁致電阻存儲器，其中所述電路包括被配置為提供所述自旋力矩轉移電流的二極體。
19.根據權利要求16的自旋力矩磁致電阻存儲器，還包括感測電路，被配置為感測所述多個磁致電阻存儲元件中的每一個磁致電阻存儲元件與復位時磁性狀態的改變對應的電阻改變。
20.根據權利要求19的自旋力矩磁致電阻存儲器，還包括 存儲電路，被配置為存儲由所述多個磁致電阻存儲元件的磁性狀態所代表的數據；以及 接口電路，被配置為使得所存儲的數據能夠被訪問以進行對所述存儲器的讀取和寫入操作。
21.根據權利要求20的自旋力矩磁致電阻存儲器，還包括 被配置為選擇所述多個磁致電阻存儲元件中的至少一個以便用自旋力矩轉移電流來對其進行編程、使所選擇的磁致電阻存儲元件從已知狀態切換到編程狀態以表示所存儲的數據的電路。
22.根據權利要求16的自旋力矩磁致電阻存儲器，其中所述磁致電阻存儲元件被取向為使得其易磁化軸與由所述復位線產生的磁場成30度至60度範圍內的角。
23.根據權利要求16的自旋力矩磁致電阻存儲器，其中在每一個所述磁致電阻存儲元件中包括磁隧道結器件，所述磁隧道結器件具有被隧道勢壘分隔開的固定磁性區和自由磁性區。
24.一種操作電阻型存儲器的方法，該電阻型存儲器包括耦接到多個電阻型存儲元件中的每一個電阻型存儲元件的位線、耦接到所述位線的電路、以及位於所述多個電阻型存儲元件附近的金屬復位線，該方法包括 通過經所述金屬復位線施加第一電流以施加溫度分布，來將所述多個電阻型存儲元件設置為第一狀態；以及 通過從所述電路經所述多個磁致電阻存儲元件中選定的磁致電阻存儲元件向所述位線施加電流，將所選磁致電阻存儲元件編程為第二狀態。
全文摘要
一種對自旋力矩磁致電阻存儲器陣列進行編程的裝置和方法，該磁致電阻存儲器陣列包括位於多個磁致電阻位中每一個磁致電阻位附近且被配置為通過在電流經其流過時產生磁場來將該多個磁致電阻存儲元件設置為已知狀態的金屬復位線。然後向這些磁致電阻位中所選擇的磁致電阻位施加自旋力矩轉移電流，以將所選擇的位切換到編程狀態。在另一種操作模式中，在產生磁場之前感測該多個位的電阻。在產生磁場之後再次感測該電阻，根據電阻改變來確定每個位的初始狀態所代表的數據。然後僅向那些電阻與施加磁場之前不同的磁致電阻位施加自旋力矩轉移電流。
文檔編號G11C11/16GK103003883SQ201180034784
公開日2013年3月27日 申請日期2011年5月26日 優先權日2010年5月28日
發明者T·安德烈, S·蒂蘭尼, J·斯勞特, N·裡佐 申請人:艾沃思賓技術公司