具有未固定基准层和单向写电流的自旋扭矩位单元

摘要

用于使用单向写电流在诸如改良的STRAM单元等非易失性存储器单元中存储不同逻辑状态的方法与装置。在一些实施例中，存储器单元具有与被包覆的导体相邻的未固定铁磁基准层、铁磁存储层、以及在基准层与存储层之间的隧穿阻挡体。电流沿着被包覆导体的通过在基准层中感生所选磁性取向，所选磁性取向通过隧穿阻挡体转移以用于由存储层来存储。此外，施加步骤的取向由与导体相邻的包层提供，电流沿着该导体被传递，且电流在所选磁性取向的包层中感生磁场。

说明书

数据存储装置一般以快速高效方式操作来存储和还原数据。一些存储 装置利用固态存储器单元的半导体阵列来存储数据的各个位。这种存储器 单元可以是易失性的或者可以是非易失性的。易失性存储器单元一般地仅 在持续向装置供应操作电力时保留存储在存储器中的数据，而非易失性存 储器单元一般地即使在不施加操作电力时也保留存储在存储器中的数据。

诸如磁性随机存取存储器(MRAM)与自旋扭矩转移随机存取存储器 (STRAM)等一些非易失性存储器单元利用铁磁结构来存储数据。这种存 储器单元通常利用由氧化物层分隔开的基准层与自由层。基准层的磁化维 持在恒定取向上，诸如通过被固定在单独的磁化层(如永久磁铁)上。可 通过对自由层的磁化选择性地取向以使其与基准层的磁化取向对齐或相 反，来建立存储器单元的不同电阻。可利用这些不同电阻来指示单元的不 同存储器状态(例如，逻辑0或1)。

在这些以及其它类型的数据存储装置中，提高效率与精确度经常是合 乎要求的，尤其对于存储阵列中存在的存储器单元结构的复杂性而言。

概要

本发明的各种实施例一般地涉及用于使用单向写电流将不同逻辑状态 存储在诸如改良的STRAM单元的非易失性存储器单元中的方法和装置。

在一些实施例中，向存储器单元的第一层施加所选的磁取向，该第一 层配置成接受多个不同磁取向。第一层的所施加磁取向隧穿到存储器单元 的第二层，被配置成接受多个不同磁取向，其中第二层维持所施加磁取向 以便指示单元的逻辑状态。

在其它实施例中，磁透包层设置为从至少两个可能的相反磁取向的集 合中选择的磁取向。包层的所选磁取向被施加到存储器单元的未固定基准 层以向基准层提供该所选的磁取向。自旋扭矩电流从基准层被传递到存储 器单元的存储层以便在存储层中感生所选的磁取向，该存储层维持所选的 磁取向来建立存储器单元的逻辑状态。此外，施加步骤的取向由与导体相 邻的包层提供，沿着该导体传递电流，且电流在所选磁取向的包层中感生 磁场。

在其它实施例中，存储器单元具有与被包覆的导体相邻的未固定铁磁 基准层、铁磁存储层、以及在基准层与存储层之间的隧穿阻挡体(势垒)。 电流沿着被包覆导体通过，这在基准层中感生所选的磁性取向，所选的磁 性取向通过隧穿阻挡体转移以用于由存储层来存储。

以本发明各种实施例为表征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。

附图简述

图1总地示出可将数据写入存储器阵列的存储器单元的方式。

图2总地示出可从图1的存储器单元读取数据的方式。

图3示出写操作期间的图1的存储器单元。

图4显示写操作期间的图1的存储器单元。

图5总地示出根据本发明各种实施例操作的存储器单元的结构。

图6总地示出根据本发明各种实施例操作的存储器单元的结构。

图7示出根据本发明各种实施例的存储器单元的阵列。

图8示出根据本发明各种实施例的写操作的流程图。

图9显示写操作的电压与电流。

图10显示写操作的电压与电流。

图11示出根据本发明各种实施例的自基准操作的流程图。

图12列出读操作的电压图。

图13列出读操作的电压图。

图14用图表示外部基准读操作的电压与电流。

图15用图表示自基准读操作的电压与电流。

详细描述

数据存储装置一般通过利用固态存储器单元的半导体阵列来存储数据 的各个位，从而操作以便存储和还原数据。这种存储器单元可配置成具有 不同电阻来指示单元的不同逻辑状态。在这些类型的存储器单元中，数据 如图1所描绘地写入到各存储器单元124中。一般地，写电源146施加必 要输入(诸如以电流、电压、磁化等形式)以将存储器单元124配置成期 望状态。可理解图1仅仅是位写入操作的代表性展示。可适当地操纵写电 源146、存储器单元124、以及基准节点148的配置来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，存储器单元124采取改良的 STRAM配置，在该情况下，写电源146表征为通过存储器单元124连接到 适当基准节点148(诸如，地)的电流驱动器。写电源146提供经由穿过存 储器单元124中的磁性材料移动来自旋极化的一股电力。所得的极化自旋 的旋转产生改变存储器单元124的磁矩的扭矩。

根据磁矩，单元124可采取相对低电阻(R_L)或相对高电阻(R_H)。 虽然不是限制性的，示例性R_L值可在约100欧姆(Ω)范围中，而示例性 R_H值可在约100KΩ范围中。其它电阻存储器型配置(例如，RRAM)供 应有适当电压或其它输入以便类似地提供分别的R_L与R_H值。这些值由各 单元保留直到该状态被后续写操作改变。虽然不是限制性的，在本示例中， 预期高电阻值(R_H)表示由单元124存储逻辑1，而低电阻值(R_L)表示 存储逻辑0。

可按照如图2所示的方式来确定由各单元124所存储的逻辑位(诸) 值。读电源150向存储器单元124施加适当输入(例如，所选读电压)。 通过单元124流动的读电流I_R的量将是单元的电阻(分别为R_L或R_H)的 函数。存储器单元两端的电压降(电压V_MC)经由路径152由比较器154 的正(+)输入来感测。从基准源156向比较器154的负(-)输入提供适 当的基准(诸如电压基准V_REF)。

可从各种实施例中选出基准电压V_REF以使存储器单元124两端的电压 降V_MC在单元的电阻被设为R_L时低于V_REF值，而在单元的电阻被设为R_H时高于V_REF值。这样，比较器154的输出电压电平将指示由存储器单元124 所存储的逻辑位值(0或1)。

图3示出在正向上通过常规STRAM存储器单元159的示例性写电流 158。相反地，图4显示在反向上通过存储器单元159的写电流160。要注 意，正向或反向电流方向仅仅表示逻辑惯例，且可互相交换。常规地，如 图3与4所示的通过存储器单元159的电流的双向流对于写入不同逻辑状 态是必要的。

尽管是可操作的，已发现在诸如图3-4的常规存储器单元存在各种限 制。一般地，对于给定电阻的单元，反向(图4)电流可显著低于正向(图 3)电流。

经常要求单元各侧上的分离的源线(SL)与位线(BL)导体容纳通过 单元的电流的双向流。另外，经常要求单独的基准值以便检测所存储的电 阻，且阵列中的位单元电阻的位之间的变化会不理想地减小可用信号裕量。 这会使从阵列读取数据的能力降低。

因此，图5与图6示出根据本发明各种实施例构成的存储器单元162。 存储器单元162可表征为具有改良的STRAM构造，该构造具有未固定的 基准层。这有助于流过该单元以设置不同逻辑状态的单向写电流的使用， 以及呈现如以下所示的其它优点。

存储器单元162放置成与位线(BL)164相邻，位线(BL)164向阵 列中的多个(列)存储器单元162选择性地传送电力。位线164被耦合到 导体164，导体168被由适当磁透材料形成的包层172所包围。电流166 沿着导体168通过，这建立了磁场170，该磁场沿着并通过包层172来延伸。 将根据公知的右手定则由电流166的方向确立磁场170的取向；将注意到， 与图5作比较，图8中的电流166的方向与所得磁场170的取向被翻转。

存储器单元162包括第一(基准)层174、氧化物(隧道阻挡体)层 182、以及第二(存储/自由)层184。电接触层185将存储器单元162耦合 到可由字线(WL)178选择的晶体管176。第一与第二层174、184各自由 适当铁磁材料形成，以便具有响应于向其施加的取向的数个不同磁性取向。

要注意，基准层174并未固定于单独的磁层来维持单一永久的磁性取 向，而是响应于包层172选择性地切换到期望的取向。存储层184配置成 保持施加的磁性取向以便维持单元162的相关逻辑状态的存储。

随着电流166通过导体168，在包层172中感生的磁场170被施加到 基准层174，使得基准层感生与包层相同的磁性取向。经由字线178对晶体 管176的激活允许小的写(自旋扭矩)电流180通过基准层174、隧道阻挡 体182到达存储层184。尽管被包覆的导体168中的电流是双向的，写电流 180将在对装置结构有利的方向相同的方向上流动，如图5与6所示。在该 示例中，尽管可利用其它安排，存储器单元162连接至V_SS衬底。

由此，写电流180相关于电流166的方向设置存储层184的磁性取向； 在图5中，存储层184的所得磁性取向表示为被设成向左，而在图6中， 存储层184的所得磁性取向设成向右。

图7示出根据本发明各种实施例的示例性存储器阵列188。存储器阵 列188包含经由位线164与字线178互连的至少多个存储器单元162，如图 5与6所示。各存储器单元162具有一个位线164与字线178的连接，这允 许对各单元的逻辑状态进行分别的操纵。

在图8中的190处，陈述了示例性的写操作。写操作开始于给包层及 基准层(诸如图5-6的172及174)设置期望的磁性取向，如步骤192所显 示。相关于电流166的方向(图5-6)建立该期望的磁性取向。

在步骤194中进行升高位线电压以确保向通过所选存储器单元162的 隧道提供具有适当自旋扭矩的电流(例如，图5-6中的电流180)。步骤 196包含通过施加字线电压来选择性地导通晶体管(诸如图5-6中的176)。 存储层(诸如图5-6的184)在步骤198中响应于自旋扭矩电流来存储所选 的磁性取向。在步骤200关闭对存储器单元的供电，并保持存储层的所选 磁性取向。

图9的曲线图用图示出作为前述写操作时间的函数的若干电力值，在 写操作期间，向存储器单元162写入使其具有存储器状态“1”。由线202显 示通过位线164的电流。与电流线202相关联的位线164的电压由线204 提供，且位线164的电压显示恒定电压直到发起写电流(图5与6的180)。 为了向存储器单元162写入逻辑状态，通过使电压通过字线178来选择晶 体管176。由线206示出的字线电压基本上与通过存储器单元162并由线 208显示的电流隧穿相似。

图10用图示出作为前述写操作时间的函数的若干电力值，在写操作期 间，向存储器单元162写入使其具有存储器状态“0”。线210示出的电流值 与写入与图8的电流线202相反的逻辑状态相关联。线212的负电流提供 如线212所示的负电压，该负电压通过位线164，直到发起写电流(图5 与6的180)的。由线214与216示出与写入逻辑状态相关联的电压与电流。 另外，线214与216基本上分别类似于与写入由线206和208所示逻辑状 态相反的逻辑状态相关联的电压与电流。要注意到，与图9与10的曲线图 相关联的逻辑状态仅仅是惯例，且在不改变为了读取或写入存储器单元而 发送的信号的情况下可互换。

向存储器单元写入所选逻辑状态后，可如图2所示地通过使用适当外 部基准电压V_REF来检测存储器单元的相对电阻水平，从而进行读操作。可 从外部存储基准电压或可通过自基准操作218来得到基准电压。在图11的 流程图中显示示例性的自基准操作218。通过在步骤220中将包层(图5 与6的172)设置成第一取向来开始操作218。随后，在步骤222中读电流 通过存储器单元以便确定第一电阻。步骤224将包层(图5与6的172)设 置成与步骤220中设置的取向相反的取向。在步骤226中，另一读电流通 过存储器单元以便确定第二电阻。最终，步骤228通过比较第一与第二电 阻来得到基准电压以便在存储器单元逻辑状态之间进行区分。

图12用图表示图11的自基准操作218期间的电压。一旦包层(图5 与6的172)在图11的步骤220中被设置成第一取向或“自动置零”，读电 源基本上为零。在图11的步骤224中，包层取向随后被切换以得到正的电 压差分230与预定逻辑状态。

相反，图13用图表示当读取与图12中逻辑状态相反的逻辑状态时图 11的自基准操作218期间的电压。通过在图11的步骤220中设置包层(图 5与6的172)来得到的“自动置零”电压与图12中所经历的电压类似。但 是，当在步骤224中施加相反取向时，测量到类似的但是为负的电压差分 232。读取负电压差分232允许识别预定逻辑状态。要注意到，与图12与 13的曲线图相关联的逻辑状态仅仅是惯例，且在不改变为了读取或写入存 储器单元而发送的信号的情况下可互换。

当使用外部基准来评估图2所示存储器单元的逻辑状态时，存储器单 元可能经历如图14所示的电压与电流值。线234显示外部基准读取期间的 位线(图5与6的162)的电流。位线(图5与6的162)所经历的电压由 线236来表示，且包括将基准层(图5与6的174)设置为已知取向期间的 负电压，且当读电流通过存储器单元(图5与6的162)时出现正电压以便 测量电阻。由线238显示的字线(图5与6的178)的电压可预测地反映通 过存储器单元的由线240所示的电流。尽管线238的电压值在读电流通过 存储器单元期间将如线240所示地发生，但线240的电流比所测电压小， 使得基准层取向的隧穿不会发生，并潜在地改变存储层(图5与6的184) 的取向。

要注意，图14与15的某些电压与电流值指示通过位线的供电方向。 在对存储器单元不产生不利结果的情况下，供电方向可翻转以在图14与15 中引入相反电压和电流值。同样地，通过位线的供电的方向以及所得正电 压或负电压测量结果仅仅表示可在不影响本发明各实施例的机械结构或精 度的情况下可改变的逻辑状态惯例。

图15显示在自基准读操作期间经历的示例性电压与电流值。线242示 出当包层被设置为第一取向(图11的步骤220)时的位线(图5与6的162) 中的负电流以及当包层取向被切换(图11的步骤224)时的后续正电流。 通过位线(图5与6的162)的电压由线244示出，且包括当基准层(图5 与6的174)的取向被切换(图11的步骤224)时的负值与正值两者。此 外，位线在包含电流通过存储器单元的各步骤(诸如图11的步骤222与226) 期间经历电压值。由线246提供通过存储器单元字线(图5与6的174)的 电压。由存储器单元测量如线248所示的与线246类似但更小的若干电流。 如读操作包含外部基准一样，自基准读操作使用比将基准层(图5与6的 174)的取向隧穿到存储层(图5与6的184)所需的电流更小的读电流。

如本领域技术人员所理解地，本文所示的各种实施例在存储器单元效 率与复杂性两者上都提供优点。使用单向电流来读写存储器单元的能力允 许存储器阵列具有较少组件，诸如提供多组源线与位线的需求。此外，自 基准读取操作允许精确测量并允许区分电阻及逻辑状态。存储器单元电阻 的这种变化是可观的，且可导致频繁的读取误差。因此，逐个单元地测量 存储器单元的电阻允许更精确及高效的读取。但是，要理解，本文所讨论 的各种实施例具有许多潜在应用，且不限于某些电子介质领域或数据存储 装置类型。

对所附权利要求来说，短语“未固定基准层”等将与以上讨论一致地构 成，以便描述不具有原磁性取向的层，诸如通过销连接或其它耦合机制朝 向恒定的磁性取向源(诸如但不限于永久磁铁)的。然而，未固定基准层 配置成展现不同方向上的磁性取向以响应于对存储器单元写入不同逻辑状 态。

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，然而该详细描述仅为 解说性的，并可在细节上作出改变，尤其可在术语的宽泛意思所指示的全 面范围对落入本发明原理内的部分的结构与安排作出改变，其中以术语来 表达所附权利要求。