[發(fā)明專利]包括多比特單元的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201280039204.5
• 申請(qǐng)日: 2012-06-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103843063A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: M·埃爾巴拉吉;N·伯格
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 科羅克斯技術(shù)股份有限公司
• 主分類號(hào): G11B5/39
• 分類號(hào): G11B5/39
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所 11105
• 代理人: 焦玉恒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)(“MRAM)裝置。具體來(lái)講，本發(fā)明涉及包括多比特單元的MRAM裝置。

背景技術(shù)

考慮到在環(huán)境溫度下具有強(qiáng)磁阻的磁隧道結(jié)的發(fā)現(xiàn)，MRAM裝置已經(jīng)變?yōu)樵絹?lái)越令人感興趣的主題。MRAM裝置提供了多種好處，諸如快速讀寫、非易失性以及對(duì)電離輻射不敏感。從而，MRAM裝置逐漸地代替基于電容器電荷狀態(tài)的存儲(chǔ)裝置，諸如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)裝置和閃速存儲(chǔ)裝置。

在常規(guī)的實(shí)現(xiàn)方式中，MRAM裝置包括MRAM單元陣列，每個(gè)MRAM單元被實(shí)現(xiàn)為用于存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)值的單比特單元。特別地，每個(gè)MRAM單元包括一對(duì)由薄絕緣層隔離的鐵磁層形成的磁隧道結(jié)。一個(gè)鐵磁層，所謂的參考層，特征在于具有固定方向的磁化，而另一鐵磁層，所謂的存儲(chǔ)層，特征在于具有相對(duì)于裝置寫入時(shí)的方向改變了方向的磁化，諸如通過(guò)施加磁場(chǎng)。當(dāng)參考層和存儲(chǔ)層的各自磁化反向平行時(shí)，磁隧道結(jié)的電阻為高，即具有對(duì)應(yīng)于高邏輯狀態(tài)“1”的電阻值R_max。另一方面，當(dāng)各自的磁化平行時(shí)，磁隧道結(jié)的電阻為低，即具有對(duì)應(yīng)于低邏輯狀態(tài)“0”的電阻值R_min。通過(guò)將MRAM單元的電阻值與參考電阻值R_ref相比較來(lái)讀取該MRAM單元的邏輯狀態(tài)，所述參考電阻值R_ref表示高邏輯狀態(tài)“1”的電阻值和低邏輯狀態(tài)“0”得電阻值之間的中間電阻值。

雖然常規(guī)的MRAM裝置提供了許多好處，不過(guò)，希望增大存儲(chǔ)密度，超出單比特單元陣列提供的存儲(chǔ)密度。特別地，希望在平衡與功率消耗和制造成本相關(guān)的其它考慮因素的同時(shí)增大存儲(chǔ)密度。

在此背景下需要開(kāi)發(fā)本文描述的MRAM裝置及相關(guān)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個(gè)方面涉及存儲(chǔ)裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，存儲(chǔ)裝置包括至少一個(gè)MRAM單元，該MRAM單元包括(1)具有存儲(chǔ)磁化方向的存儲(chǔ)層，(2)具有感測(cè)磁化方向的感測(cè)層，和(3)在所述存儲(chǔ)層和所述感測(cè)層之間處置的間隔層。存儲(chǔ)裝置還包括磁性耦合到MRAM單元并且被配置為沿著磁場(chǎng)軸感生磁場(chǎng)的磁力線。存儲(chǔ)層和感測(cè)層中的至少一個(gè)具有磁各向異性軸，并且所述磁各向異性軸相對(duì)于磁場(chǎng)軸傾斜。在寫操作期間，存儲(chǔ)磁化方向可在m個(gè)方向之間切換以便存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)于m個(gè)邏輯狀態(tài)之一的數(shù)據(jù)，其中m>2，m個(gè)方向中的至少一個(gè)相對(duì)于磁各向異性軸對(duì)準(zhǔn)，并且m個(gè)方向中的至少另一個(gè)相對(duì)于磁場(chǎng)軸對(duì)準(zhǔn)。在讀取操作期間，相對(duì)于存儲(chǔ)磁化方向改變感測(cè)磁化方向以便確定存儲(chǔ)層存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的另一方面涉及一種操作存儲(chǔ)裝置的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法包括：(1)提供具有存儲(chǔ)磁化方向、感測(cè)磁化方向和磁各向異性軸的MRAM單元；并且(2)在讀取操作期間，(a)沿著磁場(chǎng)軸感生讀取磁場(chǎng)，以致相對(duì)于所述磁場(chǎng)軸對(duì)準(zhǔn)所述感測(cè)磁化方向，其中所述磁各向異性軸相對(duì)于所述磁場(chǎng)軸以角度θ傾斜，其中0°<θ<90°；(b)確定所述MRAM單元的第一電阻值，所述第一電阻值表示當(dāng)相對(duì)于所述磁場(chǎng)軸對(duì)準(zhǔn)所述感測(cè)磁化方向時(shí)所述存儲(chǔ)磁化方向和所述感測(cè)磁化方向之間的對(duì)準(zhǔn)度；(c)去活(deactivating)所述讀取磁場(chǎng)，以致相對(duì)于所述磁各向異性軸對(duì)準(zhǔn)所述感測(cè)磁化方向；并且(d)確定所述MRAM單元的第二電阻值，所述第二電阻值表示當(dāng)相對(duì)于所述磁各向異性軸對(duì)準(zhǔn)所述感測(cè)磁化方向時(shí)所述存儲(chǔ)磁化方向和所述感測(cè)磁化方向之間的對(duì)準(zhǔn)度。

還預(yù)期本發(fā)明的其它方面和實(shí)施例。上文概要和下文詳細(xì)描述并不意在將本發(fā)明限制為任何特定的實(shí)施例，而僅在于描述本發(fā)明的一些實(shí)施例。

附圖說(shuō)明

為了更好地理解本發(fā)明一些實(shí)施例的本質(zhì)和目的，應(yīng)當(dāng)參考結(jié)合附圖進(jìn)行以下詳細(xì)描述。在附圖中，同樣的附圖標(biāo)記標(biāo)示同樣的特征，除非上下文另外清楚地指示。

圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的MRAM裝置。

圖2示出了包括在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例在圖1的MRAM裝置的MRAM單元。

圖3A和圖3B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁隧道結(jié)的兩個(gè)實(shí)現(xiàn)方式的剖面圖。

圖4A到圖4D圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖3A的實(shí)現(xiàn)方式的寫入操作序列。

圖5A到圖5D圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例圖3A的實(shí)現(xiàn)方式的讀取周期序列。

圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的MRAM裝置。

具體實(shí)施方式

定義

以下定義適用于相對(duì)于本發(fā)明一些實(shí)施例描述的一些方面。這些定義同樣可以在本文中擴(kuò)展。