專利名稱：具有未固定基準層和單向寫電流的自旋扭矩位單元的制作方法
具有未固定基準層和單向寫電流的自旋扭矩位單元 數據存儲裝置一般以快速高效方式操作來存儲和還原數據。一些存儲裝置利用固態存儲器單元的半導體陣列來存儲數據的各個位。這種存儲器單元可以是易失性的或者可以是非易失性的。易失性存儲器單元一般地僅在持續向裝置供應操作電力時保留存儲在存儲器中的數據，而非易失性存儲器單元一般地即使在不施加操作電力時也保留存儲在存儲器中的數據。 諸如磁性隨機存取存儲器(MRAM)與自旋扭矩轉移隨機存取存儲器(STRAM)等一些非易失性存儲器單元利用鐵磁結構來存儲數據。這種存儲器單元通常利用由氧化物層分隔開的基準層與自由層。基準層的磁化維持在恒定取向上，諸如通過被固定在單獨的磁化層(如永久磁鐵)上。可通過對自由層的磁化選擇性地取向以使其與基準層的磁化取向對齊或相反，來建立存儲器單元的不同電阻。可利用這些不同電阻來指示單元的不同存儲器狀態(例如，邏輯0或1)。在這些以及其它類型的數據存儲裝置中，提高效率與精確度經常是合乎要求的， 尤其對于存儲陣列中存在的存儲器單元結構的復雜性而言。概要本發明的各種實施例一般地涉及用于使用單向寫電流將不同邏輯狀態存儲在諸如改良的STRAM單元的非易失性存儲器單元中的方法和裝置。在一些實施例中，向存儲器單元的第一層施加所選的磁取向，該第一層配置成接受多個不同磁取向。第一層的所施加磁取向隧穿到存儲器單元的第二層，被配置成接受多個不同磁取向，其中第二層維持所施加磁取向以便指示單元的邏輯狀態。在其它實施例中，磁透包層設置為從至少兩個可能的相反磁取向的集合中選擇的磁取向。包層的所選磁取向被施加到存儲器單元的未固定基準層以向基準層提供該所選的磁取向。自旋扭矩電流從基準層被傳遞到存儲器單元的存儲層以便在存儲層中感生所選的磁取向，該存儲層維持所選的磁取向來建立存儲器單元的邏輯狀態。此外，施加步驟的取向由與導體相鄰的包層提供，沿著該導體傳遞電流，且電流在所選磁取向的包層中感生磁場。在其它實施例中，存儲器單元具有與被包覆的導體相鄰的未固定鐵磁基準層、鐵磁存儲層、以及在基準層與存儲層之間的隧穿阻擋體(勢壘)。電流沿著被包覆導體通過， 這在基準層中感生所選的磁性取向，所選的磁性取向通過隧穿阻擋體轉移以用于由存儲層來存儲。以本發明各種實施例為表征的這些以及各種其它特征與優點可考慮以下具體討論與所附附圖來理解。附圖簡述

圖1總地示出可將數據寫入存儲器陣列的存儲器單元的方式。圖2總地示出可從圖1的存儲器單元讀取數據的方式。圖3示出寫操作期間的圖1的存儲器單元。圖4顯示寫操作期間的圖1的存儲器單元。圖5總地示出根據本發明各種實施例操作的存儲器單元的結構。
圖6總地示出根據本發明各種實施例操作的存儲器單元的結構。圖7示出根據本發明各種實施例的存儲器單元的陣列。圖8示出根據本發明各種實施例的寫操作的流程圖。圖9顯示寫操作的 電壓與電流。圖10顯示寫操作的電壓與電流。圖11示出根據本發明各種實施例的自基準操作的流程圖。圖12列出讀操作的電壓圖。圖13列出讀操作的電壓圖。圖14用圖表示外部基準讀操作的電壓與電流。圖15用圖表示自基準讀操作的電壓與電流。詳細描述數據存儲裝置一般通過利用固態存儲器單元的半導體陣列來存儲數據的各個位， 從而操作以便存儲和還原數據。這種存儲器單元可配置成具有不同電阻來指示單元的不同邏輯狀態。在這些類型的存儲器單元中，數據如圖1所描繪地寫入到各存儲器單元124中。 一般地，寫電源146施加必要輸入(諸如以電流、電壓、磁化等形式)以將存儲器單元124 配置成期望狀態。可理解圖1僅僅是位寫入操作的代表性展示。可適當地操縱寫電源146、 存儲器單元124、以及基準節點148的配置來允許向各單元寫入所選的邏輯狀態。如下面所解釋地，在一些實施例中，存儲器單元124采取改良的STRAM配置，在該情況下，寫電源146表征為通過存儲器單元124連接到適當基準節點148(諸如，地)的電流驅動器。寫電源146提供經由穿過存儲器單元124中的磁性材料移動來自旋極化的一股電力。所得的極化自旋的旋轉產生改變存儲器單元124的磁矩的扭矩。根據磁矩，單元124可采取相對低電阻(RJ或相對高電阻(Rh)。雖然不是限制性的，示例性&值可在約100歐姆(Ω)范圍中，而示例性&值可在約100ΚΩ范圍中。其它電阻存儲器型配置(例如，RRAM)供應有適當電壓或其它輸入以便類似地提供分別的&與 Rh值。這些值由各單元保留直到該狀態被后續寫操作改變。雖然不是限制性的，在本示例中，預期高電阻值(Rh)表示由單元124存儲邏輯1，而低電阻值(RJ表示存儲邏輯0。可按照如圖2所示的方式來確定由各單元124所存儲的邏輯位(諸)值。讀電源 150向存儲器單元124施加適當輸入(例如，所選讀電壓)。通過單元124流動的讀電流Ik 的量將是單元的電阻(分別為&或Rh)的函數。存儲器單元兩端的電壓降(電壓Vtc)經由路徑152由比較器154的正⑴輸入來感測。從基準源156向比較器154的負㈠輸入提供適當的基準(諸如電壓基準Vkef)。可從各種實施例中選出基準電壓Vkef以使存儲器單元124兩端的電壓降Vtc在單元的電阻被設為&時低于Vkef值，而在單元的電阻被設為Rh時高于Vkef值。這樣，比較器 154的輸出電壓電平將指示由存儲器單元124所存儲的邏輯位值(0或1)。圖3示出在正向上通過常規STRAM存儲器單元159的示例性寫電流158。相反地， 圖4顯示在反向上通過存儲器單元159的寫電流160。要注意，正向或反向電流方向僅僅表示邏輯慣例，且可互相交換。常規地，如圖3與4所示的通過存儲器單元159的電流的雙向流對于寫入不同邏輯狀態是必要的。盡管是可操作的，已發現在諸如圖3-4的常規存儲器單元存在各種限制。一般地，對于給定電阻的單元，反向(圖4)電流可顯著低于正向(圖3)電流。經常要求單元各側上的分離的源線(SL)與位線(BL)導體容納通過單元的電流的雙向流。另外，經常要求單獨的基準值以便檢測所存儲的電阻，且陣列中的位單元電阻的位之間的變化會不理想地減小可用信號裕量。這會使從陣列讀取數據的能力降低。因此，圖5與 圖6示出根據本發明各種實施例構成的存儲器單元162。存儲器單元162可表征為具有改良的STRAM構造，該構造具有未固定的基準層。這有助于流過該單元以設置不同邏輯狀態的單向寫電流的使用，以及呈現如以下所示的其它優點。存儲器單元162放置成與位線(BL) 164相鄰，位線(BL) 164向陣列中的多個(列) 存儲器單元162選擇性地傳送電力。位線164被耦合到導體164，導體168被由適當磁透材料形成的包層172所包圍。電流166沿著導體168通過，這建立了磁場170，該磁場沿著并通過包層172來延伸。將根據公知的右手定則由電流166的方向確立磁場170的取向；將注意到，與圖5作比較，圖8中的電流166的方向與所得磁場170的取向被翻轉。存儲器單元162包括第一(基準)層174、氧化物(隧道阻擋體)層182、以及第二(存儲/自由)層184。電接觸層185將存儲器單元162耦合到可由字線(WL) 178選擇的晶體管176。第一與第二層174、184各自由適當鐵磁材料形成，以便具有響應于向其施加的取向的數個不同磁性取向。要注意，基準層174并未固定于單獨的磁層來維持單一永久的磁性取向，而是響應于包層172選擇性地切換到期望的取向。存儲層184配置成保持施加的磁性取向以便維持單元162的相關邏輯狀態的存儲。隨著電流166通過導體168，在包層172中感生的磁場170被施加到基準層174， 使得基準層感生與包層相同的磁性取向。經由字線178對晶體管176的激活允許小的寫 (自旋扭矩)電流180通過基準層174、隧道阻擋體182到達存儲層184。盡管被包覆的導體168中的電流是雙向的，寫電流180將在對裝置結構有利的方向相同的方向上流動，如圖 5與6所示。在該示例中，盡管可利用其它安排，存儲器單元162連接至Vss襯底。由此，寫電流180相關于電流166的方向設置存儲層184的磁性取向；在圖5中， 存儲層184的所得磁性取向表示為被設成向左，而在圖6中，存儲層184的所得磁性取向設成向右。圖7示出根據本發明各種實施例的示例性存儲器陣列188。存儲器陣列188包含經由位線164與字線178互連的至少多個存儲器單元162，如圖5與6所示。各存儲器單元 162具有一個位線164與字線178的連接，這允許對各單元的邏輯狀態進行分別的操縱。在圖8中的190處，陳述了示例性的寫操作。寫操作開始于給包層及基準層(諸如圖5-6的172及174)設置期望的磁性取向，如步驟192所顯示。相關于電流166的方向 (圖5-6)建立該期望的磁性取向。在步驟194中進行升高位線電壓以確保向通過所選存儲器單元162的隧道提供具有適當自旋扭矩的電流(例如，圖5-6中的電流180)。步驟196包含通過施加字線電壓來選擇性地導通晶體管(諸如圖5-6中的176)。存儲層(諸如圖5-6的184)在步驟198中響應于自旋扭矩電流來存儲所選的磁性取向。在步驟200關閉對存儲器單元的供電，并保持存儲層的所選磁性取向。圖9的曲線圖用圖示出作為前述寫操作時間的函數的若干電力值，在寫操作期間，向存儲器單元162寫入使其具有存儲器狀態“1”。由線202顯示通過位線164的電流。 與電流線202相關聯的位線164的電壓由線204提供，且位線164的電壓顯示恒定電壓直到發起寫電流(圖5與6的180) 。為了向存儲器單元162寫入邏輯狀態，通過使電壓通過字線178來選擇晶體管176。由線206示出的字線電壓基本上與通過存儲器單元162并由線208顯示的電流隧穿相似。圖10用圖示出作為前述寫操作時間的函數的若干電力值，在寫操作期間，向存儲器單元162寫入使其具有存儲器狀態“0”。線210示出的電流值與寫入與圖8的電流線202 相反的邏輯狀態相關聯。線212的負電流提供如線212所示的負電壓，該負電壓通過位線 164，直到發起寫電流(圖5與6的180)的。由線214與216示出與寫入邏輯狀態相關聯的電壓與電流。另外，線214與216基本上分別類似于與寫入由線206和208所示邏輯狀態相反的邏輯狀態相關聯的電壓與電流。要注意到，與圖9與10的曲線圖相關聯的邏輯狀態僅僅是慣例，且在不改變為了讀取或寫入存儲器單元而發送的信號的情況下可互換。向存儲器單元寫入所選邏輯狀態后，可如圖2所示地通過使用適當外部基準電壓 Vkef來檢測存儲器單元的相對電阻水平，從而進行讀操作。可從外部存儲基準電壓或可通過自基準操作218來得到基準電壓。在圖11的流程圖中顯示示例性的自基準操作218。通過在步驟220中將包層(圖5與6的172)設置成第一取向來開始操作218。隨后，在步驟 222中讀電流通過存儲器單元以便確定第一電阻。步驟224將包層(圖5與6的172)設置成與步驟220中設置的取向相反的取向。在步驟226中，另一讀電流通過存儲器單元以便確定第二電阻。最終，步驟228通過比較第一與第二電阻來得到基準電壓以便在存儲器單元邏輯狀態之間進行區分。圖12用圖表示圖11的自基準操作218期間的電壓。一旦包層(圖5與6的172) 在圖11的步驟220中被設置成第一取向或“自動置零”，讀電源基本上為零。在圖11的步驟224中，包層取向隨后被切換以得到正的電壓差分230與預定邏輯狀態。相反，圖13用圖表示當讀取與圖12中邏輯狀態相反的邏輯狀態時圖11的自基準操作218期間的電壓。通過在圖11的步驟220中設置包層(圖5與6的172)來得到的 “自動置零”電壓與圖12中所經歷的電壓類似。但是，當在步驟224中施加相反取向時，測量到類似的但是為負的電壓差分232。讀取負電壓差分232允許識別預定邏輯狀態。要注意到，與圖12與13的曲線圖相關聯的邏輯狀態僅僅是慣例，且在不改變為了讀取或寫入存儲器單元而發送的信號的情況下可互換。當使用外部基準來評估圖2所示存儲器單元的邏輯狀態時，存儲器單元可能經歷如圖14所示的電壓與電流值。線234顯示外部基準讀取期間的位線(圖5與6的162)的電流。位線(圖5與6的162)所經歷的電壓由線236來表示，且包括將基準層(圖5與6 的174)設置為已知取向期間的負電壓，且當讀電流通過存儲器單元(圖5與6的162)時出現正電壓以便測量電阻。由線238顯示的字線(圖5與6的178)的電壓可預測地反映通過存儲器單元的由線240所示的電流。盡管線238的電壓值在讀電流通過存儲器單元期間將如線240所示地發生，但線240的電流比所測電壓小，使得基準層取向的隧穿不會發生， 并潛在地改變存儲層(圖5與6的184)的取向。要注意，圖14與15的某些電壓與電流值指示通過位線的供電方向。在對存儲器單元不產生不利結果的情況下，供電方向可翻轉以在圖14與15中引入相反電壓和電流值。同樣地，通過位線的供電的方向以及所得正電壓或負電壓測量結果僅僅表示可在不影響本發明各實施例的機械結構或精度的情況下可改變的邏輯狀態慣例。圖15顯示在自基準讀操作期間經歷的示例性電壓與電流值。線242示出當包層被設置為第一取向(圖11的步驟220)時的位線(圖5與6的162)中的負電流以及當包層取向被切換(圖11的步驟224)時的后續正電流。通過位線(圖5與6的162)的電壓由線244示出，且包括當基準層(圖5與6的174)的取向被切換(圖11的步驟224)時的負值與正值兩者。此外，位線在包含電流通過存儲器單元的各步驟(諸如圖11的步驟222 與226)期間經歷電壓值。由線246提供通過存儲器單元字線(圖5與6的174)的電壓。 由存儲器單元測量如線248所示的與線246類似但更小的若干電流。如讀操作包含外部基準一樣，自基準讀操作使用比將基準層(圖5與6的174)的取向隧穿到存儲層(圖5與6 的184)所需的電流更小的讀電流。 如本領域技術人員所理解地，本文所示的各種實施例在存儲器單元效率與復雜性兩者上都提供優點。使用單向電流來讀寫存儲器單元的能力允許存儲器陣列具有較少組件，諸如提供多組源線與位線的需求。此外，自基準讀取操作允許精確測量并允許區分電阻及邏輯狀態。存儲器單元電阻的這種變化是可觀的，且可導致頻繁的讀取誤差。因此，逐個單元地測量存儲器單元的電阻允許更精確及高效的讀取。但是，要理解，本文所討論的各種實施例具有許多潛在應用，且不限于某些電子介質領域或數據存儲裝置類型。對所附權利要求來說，短語“未固定基準層”等將與以上討論一致地構成，以便描述不具有原磁性取向的層，諸如通過銷連接或其它耦合機制朝向恒定的磁性取向源(諸如但不限于永久磁鐵)的。然而，未固定基準層配置成展現不同方向上的磁性取向以響應于對存儲器單元寫入不同邏輯狀態。要理解，即使已在前面的說明書中闡述了本發明各實施例的許多特征和優勢以及本發明各種實施例的結構和功能的細節，然而該詳細描述僅為解說性的，并可在細節上作出改變，尤其可在術語的寬泛意思所指示的全面范圍對落入本發明原理內的部分的結構與安排作出改變，其中以術語來表達所附權利要求。
權利要求
1.一種方法，包括向存儲器單元的第一層施加所選的磁性取向，所述第一層配置成接受多個不同的磁性取向；以及將所述第一層的所施加磁性取向隧穿到所述存儲器單元的第二層，所述第二層配置成接受多個磁性取向，其中所述第二層維持所施加的磁性取向以便指示所述單元的邏輯狀態，且所述施加步驟的取向由與導體相鄰的包層所提供，電流沿著所述導體傳遞，其中所述電流在所選磁性取向的所述包層中感生磁場。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述隧穿步驟包括激活位線電壓并通過激活字線電壓來激活所選晶體管。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述隧穿步驟通過所述第一與第二層之間的隧道阻擋體轉移所選磁性取向。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括與基準值相關地讀取所述存儲器單元的電阻以確定邏輯狀態。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述隧穿步驟包括通過所述存儲器單元傳遞自旋極化電流，其中所述自旋極化電流在與所述施加步驟的所選磁性取向無關的公共方向上通過所述存儲器單元。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一層表征為改良的自旋扭矩轉移隨機存取存儲器(STRAM)存儲器單元中的未固定基準層。
7.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述基準值是自基準值。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，通過經所述存儲器單元傳遞電流來得到所述自基準值，在經所述存儲器單元傳遞電流的過程中，先將所述第一層設置為第一預定狀態以便生成所述自基準值的第一分量，再將所述第一層設置為與所述第一預定狀態相反的第二預定狀態以便生成所述自基準值的第二分量。
9.一種方法，包括將磁透包層設置為從至少兩個可能相反的磁性取向的集合中選擇的磁性取向；將所述包層的所選磁性取向施加到存儲器單元的未固定基準層，以向所述基準層提供所選磁性取向；以及將電流從所述基準層傳遞到所述存儲器單元的存儲層以便在所述存儲層中感生所選的磁性取向，所述存儲層維持所選的磁性取向以建立所述存儲器單元的邏輯狀態。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述自旋扭矩電流從所述基準層在公共方向上流向所述存儲層，該公共方向與所述設置步驟期間選擇所述至少兩個可能的相反磁性取向中的任何一個都無關。
11.如權利要求9所述的方法，其特征在于，還包括如下步驟與自基準值相關地讀取所述存儲器單元的電阻以確定所述存儲層的邏輯狀態。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，通過經所述第一層與第二層傳遞第一電流以及經所述第一層與第二層傳遞第二電流來得到所述自基準值，其中在經所述第一層與第二層傳遞第一電流的過程中，所述第一層被設置為第一預定狀態以便生成所述自基準值的第一分量，其中在經所述第一層與第二層傳遞第二電流的過程中，所述第一層被設置為與所述第一預定狀態相反的第二預定狀態以便生成所述自基準值的第二分量。
13.—種包括非易失性存儲器單元的裝置，包括與被包覆的導體相鄰的未固定鐵磁基準層、鐵磁存儲層、以及所述基準層與所述存儲層之間的隧穿阻擋體，其中沿著被包覆的導體傳遞的電流在所述基準層中感生所選磁性取向，所選磁性取向通過所述隧穿阻擋體轉移以用于由所述存儲層存儲。
14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，所述電流沿著被包覆的導體在第一方向上的通過導致所述基準層與所述存儲層兩者都維持第一磁性取向，且其中所述電流沿著所述被包覆的導體在相反的第二方向上的通過導致所述基準層與所述存儲層兩者都維持相反的第二磁性取向。
15.如權利要求14所述的裝置，其特征在于，第一自旋極化電流隧穿所述隧穿阻擋體以將所述存儲層設置在所述第一磁性取向上，其中第二自旋極化電流隧穿所述隧穿阻擋體以將所述存儲層設置在所述第二磁性取向上，且其中所述第一與第二自旋極化電流在公共方向上通過，從所述基準層穿過所述隧穿阻擋體到達所述存儲層。
16.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，所述存儲器單元設置在標稱等同的存儲器單元的陣列中，所述陣列表征為改良的自旋扭矩轉移隨機存取存儲器(STRAM)陣列。
17.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，與所述存儲層的所選磁性取向相關地建立所述存儲器單元的電阻，且其中，與基準值相關地確定所述電阻以確定所述存儲器單元的邏輯狀態。
18.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，與自基準值相關地測量所述第一與第二層的電阻以便確定邏輯狀態。
19.如權利要求18所述的裝置，其特征在于，通過經所述第一層與第二層傳遞第一電流以及通過經所述第一層與第二層傳遞第二電流來得到所述自基準值，其中在經所述第一層與第二層傳遞第一電流的過程中，所述第一層被設置為第一預定狀態以便生成所述自基準值的第一分量，其中在經所述第一層與第二層傳遞第二電流的過程中，所述第一層被設置為與所述第一預定狀態相反的第二預定狀態以便生成所述自基準值的第二分量。
20.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，所述被包覆的導體包括耦合到位線并由磁透包覆材料包圍的導電導體。
全文摘要
用于使用單向寫電流在諸如改良的STRAM單元等非易失性存儲器單元中存儲不同邏輯狀態的方法與裝置。在一些實施例中，存儲器單元具有與被包覆的導體相鄰的未固定鐵磁基準層、鐵磁存儲層、以及在基準層與存儲層之間的隧穿阻擋體。電流沿著被包覆導體的通過在基準層中感生所選磁性取向，所選磁性取向通過隧穿阻擋體轉移以用于由存儲層來存儲。此外，施加步驟的取向由與導體相鄰的包層提供，電流沿著該導體被傳遞，且電流在所選磁性取向的包層中感生磁場。
文檔編號H01F10/32GK102272846SQ200980154227
公開日2011年12月7日 申請日期2009年12月2日 優先權日2008年12月2日
發明者D·里德, P·安德森, S·薛, Y·陸 申請人:希捷科技有限公司