降低自旋力矩转移磁阻性随机存取存储器(STT-MRAM)中的源极负载效应

摘要

本发明揭示降低STT-MRAM中的源极负载效应的系统及方法。在特定实施例中，一种方法包括确定磁性隧道结(MTJ)结构的切换电流比率，所述切换电流比率使得存储器单元能够稳定操作。所述存储器单元包括串联耦合到存取晶体管的所述MTJ结构。所述方法还包括修改易发生于所述MTJ结构的自由层的偏移磁场。所述经修改的偏移磁场致使所述MTJ结构展现所述切换电流比率。

说明书

技术领域

本发明大体上是针对降低自旋力矩转移磁阻性随机存取存储器(STT-MRAM)中的 源极负载效应。

背景技术

非易失性存储器技术的进步包括基于电阻的存储器技术，例如磁阻性随机存取存储 器(MRAM)。MRAM技术是使用基于铁磁的磁性隧道结(MTJ)作为基本存储器元件 的新兴非易失性存储器技术。MRAM的常用阵列架构为一个晶体管一个MTJ(1T1MTJ) 架构。顾名思义，此架构中的每一位单元(bit cell)是由MTJ与n沟道金属氧化物半导 体(NMOS)存取晶体管串联连接而组成。为了充分利用与按比例缩小NMOS技术相关 联的密度增大及面积减小的优点，需要将较小晶体管及较低操作电压用于MRAM位单 元。然而，尽管按比例缩小NMOS技术已进入深亚微米领域，因此产生面积及密度优势， 但在设计具有稳定操作的1T1MTJ架构时仍可能存在困难，尤其是在源极负载效应方面。

发明内容

在特定实施例中，揭示一种方法，其包括确定磁性隧道结(MTJ)结构的切换电流 比率，所述切换电流比率使存储器单元能够稳定操作。所述存储器单元包括耦合到存取 晶体管的MTJ结构。所述方法还包括修改易发生于MTJ结构的自由层的偏移磁场。所 述经修改的偏移磁场致使MTJ结构展现切换电流比率。所述偏移磁场可因自由层与其在 MTJ结构中的邻近层之间的静磁耦合而产生。

所述偏移场的极性可视连接类型而定。在特定实施例中，可将存储器单元从使存取 晶体管电耦合到MTJ结构的经钉扎层的第一配置调整为使存取晶体管电耦合到MTJ结 构的自由层的第二配置，以降低存储器单元处的源极负载效应。在一个实施例中，揭示 一种存储器单元，其具有MTJ结构的经钉扎层的经调整的厚度。在另一实施例中，揭示 一种设备，其包括自旋力矩转移磁阻性随机存取存储器(STT-MRAM)，所述STT-MRAM 包括根据所揭示的方法而设计的存储器单元。

在另一实施例中，揭示一种设备，其包括存储器单元，所述存储器单元包括磁性隧 道结(MTJ)结构。所述MTJ结构包括耦合到位线的自由层且还包括经钉扎层。所述自 由层的磁矩在第一状态中与所述经钉扎层的磁矩大体上平行，且在第二状态中与所述经 钉扎层的所述磁矩大体上反平行。所述经钉扎层具有物理尺寸以产生偏移磁场，所述偏 移磁场在第一电压从所述位线施加到耦合到存取晶体管的源极线时对应于所述MTJ结 构的使得能够在所述第一状态与所述第二状态之间切换的第一切换电流，且在所述第一 电压从所述源极线施加到所述位线时对应于使得能够在所述第二状态与所述第一状态 之间切换的第二切换电流。

在另一实施例中，揭示一种存储器单元，其包括磁性隧道结(MTJ)结构。所述 MTJ结构包括自由层，且还包括耦合到位线的经钉扎层。所述自由层的磁矩在第一状态 中与所述经钉扎层的磁矩大体上平行，且在第二状态中与所述经钉扎层的所述磁矩大体 上反平行。所述存储器单元还包括存取晶体管，所述存取晶体管使源极端子耦合到源极 线，且使漏极端子经由导电路径耦合到所述MTJ结构的所述自由层。所述自由层与所述 存取晶体管的所述漏极端子之间的第一距离大于所述经钉扎层与所述漏极端子之间的 第二距离。

在另一实施例中，揭示一种设备，其包括存储器装置，所述存储器装置包括多个存 储器单元。所述多个存储器单元中的至少一个存储器单元包括磁性隧道结(MTJ)结构。 所述MTJ结构的自由层的磁矩在第一状态中与所述MTJ结构的经钉扎层的磁矩大体上 平行，且在第二状态中与所述经钉扎层的所述磁矩大体上反平行。所述存储器单元还包 括耦合到所述MTJ结构的存取晶体管。用以将所述MTJ结构从所述第一状态切换到所 述第二状态的第一切换电流的量值的比率小于将所述MTJ结构从所述第二状态切换到 所述第一状态的第二切换电流的一半。

所揭示的实施例所提供的一个特定优点是供不同位单元类型通过调整装置参数以 在特定晶体管电流-电压特性内操作而实现STT-MRAM切换的设计方法。

在审阅整个申请案之后，本发明的其它方面、优点及特征将变得显而易见，整个申 请案包括以下部分：附图说明、具体实施方式及权利要求书。

附图说明

图1为包括具有经编程偏移磁场的存储器单元的存储器装置的特定说明性实施例的 框图；

图2为具有经编程偏移磁场的存储器单元的特定说明性实施例的图；

图3为具有经编程偏移磁场的磁性隧道结(MTJ)结构的第一说明性实施例的图；

图4为具有经编程偏移磁场的磁性隧道结(MTJ)结构的第二说明性实施例的图；

图5为存储器单元的操作特性的第一实施例的图；

图6为存储器单元的操作特性的第二实施例的图；

图7为说明切换电流比率与磁场比率之间的可用以确定经编程偏移磁场的关系的模 型的图；

图8为降低自旋力矩转移磁阻性随机存取存储器(STT-MRAM)的源极负载效应的 方法的流程图；

图9为包括具有存储器单元的基于电阻的存储器的无线通信装置的特定说明性实施 例的框图，所述存储器单元具有经编程偏移磁场；以及

图10为制造包括具有经编程偏移磁场的存储器单元的成品电子装置的制造过程的 特定说明性实施例的数据流程图。

具体实施方式

参看图1，描绘包括具有经编程偏移磁场的存储器单元的存储器装置的特定说明性 实施例的图，并大体上将其指定为100。存储器装置100可包括存储器阵列102，例如 自旋力矩转移磁阻性随机存取存储器(STT-MRAM)存储器阵列。存储器阵列102包括 具有经编程偏移磁场的存储器单元116。存储器阵列102可通过位线104耦合到位线逻 辑电路106。存储器阵列102可通过字线108耦合到字线逻辑电路110。存储器阵列102 还可耦合到放大器112。

在特定实施例中，具有经编程偏移磁场的存储器单元116包括以1T1MTJ配置耦合 到存取晶体管的磁性隧道结(MTJ)结构。如将关于图2到图8论述，存储器单元116 可具有经选择以编程MTJ结构的偏移磁场的一个或一个以上物理尺寸。当存取晶体管处 于源极负载操作状态中时，偏移磁场经编程以移位MTJ的临界切换点以使得能将数据值 写入到存储器单元116。

图2为具有经编程偏移磁场的存储器单元的特定说明性实施例的图。存储器单元200 包括衬底202，其使存取晶体管204经由导电路径208(例如，一个或一个以上金属或 多晶硅导线、触点或通路)耦合到MTJ结构206。在特定实施例中，存储器单元200为 图1的存储器单元116。

存取晶体管204使源极210耦合到源极触点212(其耦合到源极线)，且使漏极216 经由导电路径208耦合到MTJ结构206。施加到字线214的电压调制源极210与漏极216 之间的沟道。

MTJ结构206包括连接到导电路径208的存取晶体管电极218。MTJ结构206包括 存取晶体管电极218上的反铁磁(AF)层220、经钉扎层(pinned layer)222、隧道势 垒224及自由层226。位线存取电极228耦合到位线(BL)230。自由层226距漏极216 第一距离292，且经钉扎层222距漏极216第二距离294。第二距离294小于第一距离 292。

经钉扎层222包括经钉扎磁矩234，其具有由AF层220固定的方向。自由层226 包括磁矩236，其可具有相对于经钉扎磁矩234平行或反平行的定向。在第一状态中， 自由层226的磁矩236与经钉扎层222的经钉扎磁矩234大体上平行(“P”状态)。在 第二状态中，自由层226的磁矩236与经钉扎层222的经钉扎磁矩234大体上反平行 (“AP”状态)。称为“临界”电流密度J_C(P→AP)的第一电流密度表示致使MTJ结构206 从第一状态切换到第二状态(“P→AP”)的最低电流密度。第二“临界”电流密度J_C(AP→P)表示致使MTJ结构206从第二状态切换到第一状态(“AP→P”)的最低电流密度。一般 来说，P→AP切换需要比AP→P切换大的电流，即J_C(AP→P)＜J_C(P→AP)。另外，临界电流 密度的不对称性趋向于随着隧穿磁阻(TMR)增大而增大。

在特定实施例中，经钉扎层222具有例如厚度等物理尺寸232，其经选择以编程自 由层226的偏移磁场，如将关于图3到图8而论述。偏移磁场影响第一及第二临界电流 密度，使得两个状态之间的切换电流可经设定以确保存储器单元200的稳定操作。

尽管将经钉扎层222说明为单个层，但经钉扎层222可包括具有多个层的合成层。 并且，在其它实施例中，MTJ结构206包括图2中未说明的额外层。

图3为具有经编程偏移磁场的磁性隧道结(MTJ)结构的第一说明性实施例的图。 MTJ结构300包括经由势垒层306耦合到经钉扎层304的自由层302。在特定实施例中， 自由层302、势垒层306及经钉扎层304分别为图2的自由层226、隧道势垒层224及 经钉扎层222。

自由层302经由偏移场磁性地耦合到经钉扎层304，所述偏移场包括倪尔(Neel) 耦合分量H_N 308及静磁耦合H_M 310。倪尔耦合分量H_N 308是由界面粗糙度引起，且由 场线(field line)314说明。静磁耦合H_M 310是由结构边缘附近的未补偿极引起，且由 场线312说明。所得偏移场H_OFF可近似为：

H_OFF＝H_N+H_M

H_M＝B/L，以及

$H_N=\frac{{\pi }^2}{\sqrt{2}}\left(\frac{h^2}{{\mathrm{\lambda t}}_F}\right)M_s\exp \left(\frac{-2\pi \sqrt{2}{t}_S}{\lambda }\right)$

其中B为与经钉扎层304的厚度t_P 322成比例的磁通量，且L为经钉扎层304在场 方向上的长度。

倪尔耦合场可为可忽略的，且可由隧穿绝缘体沉积工艺的质量预先确定。因此，在 此特定结构中，可通过调整经钉扎层304的厚度t_P 322来控制偏移场。

图4为具有经编程偏移磁场的磁性隧道结(MTJ)结构的第二说明性实施例400的 图。MTJ结构402包括顶部电极404、自由层406、势垒层408、经钉扎层410，及底部 电极420上的反铁磁层418。经钉扎层410为合成层，其包括接近自由层406的第一磁 性层412、非磁性层414及第二磁性层416。第一磁性层412具有第一磁矩，且第二磁 性层416具有与第一磁性层412的第一磁矩反平行的第二磁矩。

将自由层406处的偏移场H_off的模型422说明为随第二磁性层416的厚度而变。将 模型422说明为大体上线性的，且可凭经验产生，凭理论产生，或其任何组合。如所说 明，减小第二磁性层416的厚度会将负位移施加到偏移磁场，而增大第二磁性层416的 厚度会将正位移施加到偏移磁场。另外，偏移磁场可改变方向，此情况被指示为在增大 第二磁性层416的厚度的情况下负偏移场值向正偏移场值的转变。

举例来说，当第二磁性层416足够薄时，第一磁性层412可对自由层406产生偏移 场的较大分量。随着第二磁性层416的厚度相对于第一磁性层增大，第二磁性层416在 与第一磁性层412的方向相反的方向上贡献偏移场的增加的部分，且最终贡献偏移场的 较大分量，从而导致偏移场的方向改变。将此行为说明为在厚度增加的情况下偏移场的 量值降低到零，接着改变正负号且量值增加。

尽管MTJ结构402及对应模型422是基于具有两个磁性层412及416的单个经钉扎 层410，但在其它实施例中，MTJ结构402可具有任何数目个层，所述层中的任一者的 厚度可经调整以设定偏移场。使得能对各种厚度进行此些调整以特定选择或移位偏移场 的量值及方向的模型可凭理论或凭经验产生，或其任何组合而产生。

图5为存储器单元502的操作特性500的第一实施例的图。存储器单元502具有如 下配置：其中MTJ装置504具有沉积在经钉扎层上方的自由层，且所述经钉扎层电耦合 到晶体管506的漏极端子(“正常”连接)。在特定实施例中，存储器单元502为图1的 存储器单元116或图2的存储器单元200，包括图3的MTJ结构300或图4的MTJ结 构400，或其任何组合。

MTJ装置504具有电阻(R)，电阻(R)展现随磁场(H)而变的磁滞，将此说明 为电阻-磁场环(R-H环)514(其为“平衡的”，即定中心于零处)。从H的较大负值开 始(例如，由第一方向上的经过MTJ的大电流所引起)，电阻具有低值。随着H跨越零 (即，改变方向)，电阻保持为低。在对应于P到AP切换的热势垒的特定场强度下，电 阻增大到高值，其表示自由层的磁矩的改变及数据位到存储器单元502的写入。随着场 减小越过零，电阻保持为高，直到当自由层的磁矩返回到其原始定向时(即，当将具有 相反值的数据位写入到存储器单元502时)电阻返回到其低值为止。

通过调整邻近层的物理尺寸(例如，经钉扎层的厚度或所述邻近层内的一个或一个 以上层的厚度)修改偏移磁场，来将负位移516施加到平衡的R-H环514。所得不平衡 的R-H环512说明从低电阻状态(即，AP状态)到高电阻状态(即，P状态)的转变 出现在H_C+处，且从高电阻状态到低电阻状态(即，AP状态)的转变出现在H_C-处。负 位移516在负方向上移位H_C-及H_C+两者，使得H_C-的量值大于H_C+的量值。

描绘在第一偏压条件530及第二偏压条件550下的负载线特性，负载线特性对应于 经配置以具有不平衡的R-H环512的存储器单元502的操作。在第一偏压条件530下， MTJ装置504的特性由MTJ电流-电压(I-V)曲线534说明，此特性随MTJ装置504 上的电压而变，其中源极线(SL)接地且位线(BL)被施以正电压(V_BL)的偏压。具 有正栅极电压V_G的晶体管506的特性由晶体管I-V曲线532说明为随施加于MTJ装置 504上的电压而变。MTJ I-V曲线534与晶体管I-V曲线532的相交点指示存储器单元 的操作点，且操作点处的电压值必须大于稳定写入操作的切换电压。

MTJ I-V曲线534说明：随着MTJ装置504上的电压从零增大，经过MTJ装置504 的电流增大。在表示MTJ装置504的较高电阻状态(即，AP状态)的下部线之后，电 流随电压而增大，直到转变536指示切换到较低电阻状态(即，P状态)为止。转变536 出现在经过MTJ装置504的电流密度等于临界电流密度J_C(AP→P)时的临界电流I_C+538处。 经过MTJ装置504的电流以对应于较低电阻状态的速率随电压增大而继续增大。随着 MTJ装置504上的电压减小，经过MTJ装置504的电流在较低电阻状态中大体上线性 减小。

在第二偏压条件550下，MTJ装置504的特性由MTJ电流-电压(I-V)曲线556说 明，此特性随MTJ装置504上的电压而变，其中源极线(SL)被施以V_BL的偏压且位 线(BL)接地。具有负栅极电压-V_G的晶体管506的特性由晶体管I-V曲线552说明为 随MTJ装置504上的电压而变。MTJ I-V曲线554与晶体管I-V曲线552的相交点指示 存储器单元502的稳定操作点。

晶体管I-V曲线552表示由于源极负载效应而与晶体管I-V曲线532相比有所减小 的电流。明确地说，当晶体管506为n沟道金属氧化物半导体(NMOS)型场效晶体管 时，在第一偏压条件530下，栅极-源极电压差(V_GS)为常数V_G。对比来说，在第二偏 压条件550下，栅极-源极电压差随MTJ装置504上的电压(V_MTJ)而变化。

MTJ I-V曲线544说明：随着MTJ装置504上的电压的量值从零增大(即，变得更 负)，经过MTJ装置504的电流的量值在与操作状态530中的方向相反的方向上增大(即， 电流增大)。在表示MTJ装置504的P状态的下部线之后，经过MTJ装置504的电流的 量值随电压而增大，直到转变556指示切换到AP状态为止。转变556出现在经过MTJ 装置504的电流密度等于临界电流密度J_C(P→AP)时的临界电流I_C-558处。在转变到减小 的电流之后，经过MTJ装置504的电流的量值以对应于较高电阻状态的速率随电压而继 续增大。随着MTJ装置504上的电压从负值朝零返回，经过MTJ装置504的电流的量 值在较高电阻状态中大体上线性减小。

存储器单元502的负载线分析指示：晶体管506提供足够电流以使MTJ装置能够在 第一偏压条件530下从AP状态切换到P状态，且还在第二偏压条件550下从P状态切 换到AP状态。然而，如由虚线(此虚线表示对应于平衡的R-H环514的MTJ I-V曲线) 所说明的部分指示，在不会产生引起平衡的R-H环514的负位移516的偏移磁场的情况 下，P→AP转变562需要比在第二偏压条件550下可由晶体管装置506提供的电流大的 电流。因此，存储器单元502在平衡的R-H环514的情况下不稳定，且在不施加产生 MTJ I-V曲线中的位移560的负位移516的情况下，无法将数据可靠地写入到存储器单 元502。

位移560将P→AP转变562移位到在较小量值的电流密度J_C(P→AP)处出现的转变 556，且将AP→P转变540移位到在较大量值的电流密度J_C(AP→P)处出现的转变536。因 此，产生偏移磁场以引起负位移516(例如通过调整MTJ装置504的经钉扎层的厚度)， 以此引起MTJ I-V响应中的位移560，且导致|J_C(P→AP)|/J_C(AP→P)的比率减小，这使得存储 器单元502能够稳定操作及正确切换。

图6为存储器单元602的操作特性的第二实施例的图。存储器单元602可具有第一 配置604，其中MTJ装置具有沉积于经钉扎层上方的自由层，且经“反向连接”以使得 所述自由层经由导电路径电耦合到晶体管的漏极端子。举例来说，导电路径可包括将漏 极端子电连接到MTJ装置的顶部电极的导线、通路及触点。存储器单元602可替代地具 有第二配置606，其中MTJ装置具有“反向层”结构，在所述结构中，经钉扎层沉积于 自由层上方，且所述自由层电耦合到晶体管的漏极端子。在特定实施例中，存储器单元 602为图1的存储器单元116。

呈任一配置604或606的MTJ装置602可具有电阻-磁场环(R-H环)614，其为“平 衡的”，即定中心于零处。通过调整邻近层的物理尺寸(例如，经钉扎层的厚度或所述 经钉扎层内的一个或一个以上层的厚度)修改偏移磁场，来将正位移616施加到平衡的 R-H环614。所得不平衡的R-H环612说明从低电阻状态(即，P状态)到高电阻状态 (即，AP状态)的转变出现在H_C+处，且从高电阻状态到高电阻状态(即，AP状态)的 转变出现在H_C-处。正位移616在正方向上移位H_C-及H_C+两者，使得H_C+的量值大于H_C-的量值。

描绘在第一偏压条件630及第二偏压条件650下的负载线特性，负载线特性对应于 经配置以具有不平衡的R-H环612的存储器单元602的操作。在第一偏压条件630下， MTJ装置的特性由MTJ电流-电压(I-V)曲线634说明，此特性随所述MTJ装置上的 电压而变，其中源极线(SL)接地且位线(BL)被施以正电压(V_BL)的偏压。具有正 栅极电压V_G的晶体管的特性由晶体管I-V曲线632说明为随MTJ装置上的电压而变。 MTJ I-V曲线634与晶体管I-V曲线632的相交点指示存储器单元的稳定操作点。

晶体管I-V曲线632展现与图5中所描述的源极负载效应(在反向偏压条件的情况 下)类似的源极负载效应。如先前所论述，MTJ切换的不对称性趋向于针对P→AP切 换比针对AP→P切换需要较大的电流，即J_C(AP→P)＜J_C(P→AP)。通过使MTJ装置的连接或 层沉积反向，因源极负载效应而减小的晶体管电流可由于第一偏压条件630下所需要的 较小切换电流而具有较小影响。然而，如由虚线所指示，在平衡的R-H环614条件下操 作，会因为源极负载效应而在AP→P转变640处需要比晶体管可提供的电流大的电流。

在第二偏压条件650下，MTJ装置的特性由MTJ电流-电压(I-V)曲线654说明， 此特性随所述MTJ装置上的电压而变，其中源极线(SL)被施以V_BL的偏压且位线(BL) 接地。具有负栅极电压-V_G的晶体管的特性由晶体管I-V曲线652说明为随MTJ装置上 的电压而变。MTJ I-V曲线654与晶体管I-V曲线652的相交点指示存储器单元602的 稳定操作点。

存储器单元602的负载线分析指示：晶体管提供足够电流以使MTJ装置能够在第一 偏压条件630下从AP状态切换到P状态，且还在施加正位移616以产生不平衡的R-H 曲线612时在第二区中从P状态切换到AP状态，这导致MTJ转变640及662分别到转 变636及656的位移660。位移660为负位移，其减小第一偏压条件630下的临界电流 的量值，且增大第二偏压条件650下的临界电流的量值，使得存储器单元602的晶体管 可提供足够电流以使得MTJ装置能够稳定操作及恰当切换。

位移660将P→AP转变662移位到在较大量值的电流密度J_C(P→AP)处出现的转变 656，且将AP→P转变640移位到在较小量值的电流密度J_C(AP→P)处出现的转变636。因 此，产生偏移磁场以引起正位移616(例如通过调整MTJ装置的经钉扎层的厚度)，以 此引起MTJ I-V响应中的位移660且导致|J_C(P→AP)|/J_C(AP→P)的比率增大，这使得存储器单 元602能够稳定操作及正确切换。

尽管图5及图6说明通过施加足够偏移场而产生的从平衡的R-H环条件的位移导致 存储器单元变得稳定的实施例，但为了便于阐释且不作为限制，可使用表示平衡的R-H 环下的不稳定行为及不平衡的R-H环下的稳定行为的这些实施例。一般来说，存储器单 元的恰当操作可能与R-H环是否平衡无关。代替的是，调整存储器单元以实现恰当操作 可基于确定移位R-H环的方向及量值，以将切换电流电平调整到在操作偏压条件下可由 晶体管实现的电平(即，移位转变点以使其出现在图5到图6中所说明的负载线中的晶 体管I-V曲线内)。因此，用以引起稳定操作的切换电流电平的调整可指示使R-H环移 位的量，所述量又可指示用以实现R-H环的移位的偏移场的调整，所述偏移场的调整又 可指示用以调整偏移场的经钉扎层的一个或一个以上物理尺寸(例如，层厚度)的改变。

图7为说明切换电流比率与磁场比率之间的关系的模型700的图，所述模型700可 用以确定经编程偏移磁场。模型700说明在如曲线702、704及706所展示的三个不同 热稳定性值E_B下，随磁场比率H_off/H_c(称作β)而变的切换电流比率|J_C-|/J_C+(例如， 关于图5到图6所论述的|J_C(P→AP)|/J_C(AP→P))。

在特定实施例中，模型700为基于以下等式的理论模型

$J_{c\pm }=J_{c0\pm }[1-\frac{k_{B}T}{E_{B\pm }}\ln \left(\frac{\tau }{{\tau }_0}\right)]$

其中J_c0±为临界电流密度，k_B为波兹曼(Boltzmann)常数，T为温度，且τ/τ₀表示 写入电流持续时间τ与恒定参数τ₀的比率。E_B±为由以下等式给出的热稳定性

其中M_S为饱和磁化强度(saturation magnetization)，V为MTJ的体积，且β为H_off/H_c。 切换电流比率|J_C-|/J_C+由以下等式给出

$\frac{\left|J_{c-}\right|}{J_{c+}}=\frac{\left|J_{c0-}\right|}{J_{c0+}}\frac{1-\frac{k_{B}T}{E_B}\ln \left(\frac{\tau }{{\tau }_0}\right)\frac{1}{1+\beta }}{1-\frac{k_{B}T}{E_b}\ln \left(\frac{\tau }{{\tau }_0}\right)\frac{1}{1-\beta }}=\alpha \frac{1-\frac{c}{1+\beta }}{1-\frac{c}{1-\beta }}$

其中

$\alpha =\frac{\left|J_{c0-}\right|}{J_{c0+}},$$\beta =\frac{H_{\mathrm{off}}}{H_c},$$c=\frac{k_{B}T}{E_B}\ln \left(\frac{\tau }{{\tau }_0}\right)$

模型700可基于基本STT切换理论，或在其它实施例中，模型700可由额外物理模 拟或模型化，或经验模型，或其任何组合调整。

模型700提供切换电流比率β、偏移磁场H_off与切换场强度H_c之间的关系。举例来 说，可确定使存储器单元能够稳定操作的切换电流比率，且可存取模型700以确定修改 偏移磁场的量，从而调整所述存储器单元的MTJ装置的操作以具有所述切换电流比率。

图8为降低自旋力矩转移磁阻性随机存取存储器(STT-MRAM)的源极负载效应的 方法800的特定实施例的流程图。

在802处，可设定RA、MR及H_c的初始目标以满足目标应用的规范。通常，读取 电路设定MR的阈值，且通过考虑目标MTJ结构的STT切换特性及隧穿绝缘体的崩溃 特性来确定RA。另外，目标Hc值可受所需要的最小热稳定性(E_B)限制，且可通过调 整MTJ的纵横比来控制。

继续到804，可制造具有不同晶体管宽度的各种位单元，例如包括串联耦合到存取 晶体管的MTJ结构的存储器单元。举例来说，存储器单元可为图1的存储器单元116、 图2的存储器单元200、图5的存储器单元502或图6的存储器单元602。存储器单元 可具有：第一配置，例如图5的存储器单元502的配置(“类型Ⅰ”)；第二配置，例如 图6的存储器单元602的配置604(“类型Ⅱ”)；或第三配置，例如图6的存储器单元 602的配置606(“类型Ⅲ”)。

前进到806，可确定存储器单元的切换特性。举例来说，可测量存储器单元的自旋 力矩转移(STT)切换特性。初始临界电流密度J_c不对称性可为已知的。

移动到808，可执行晶体管负载线分析以确定使得存储器单元能够稳定操作的切换 电流比率。注意，可通过改变晶体管宽度及字线电压来使负载线变化。可估计晶体管宽 度、字线电压与可能的偏移场值的最佳组合。确定磁性隧道结(MTJ)结构的使得存储 器单元能够稳定操作的切换电流比率。切换电流比率可基于从第一状态切换到第二状态 的第一临界电流密度除以从第二状态切换到第一状态的第二临界电流密度，例如比率 |J_C(P→AP)|/J_C(AP→P)，如关于图5到图6所描述，或|J_C-|/J_C+，如关于图7所描述。

进行到810，可基于切换电流比率|J_C-|/J_C+的量值确定修改偏移磁场(H_off)的量。举 例来说，可使用切换电流比率|J_C-|/J_C+、偏移磁场H_off与切换场强度(H_c)之间的关系的 数学模型来确定修改偏移磁场H_off的量。具体地说，可从例如关于图7所论述的|J_C-|/J_C+与H_off/H_c之间的关系来确定H_off/H_c的值。作为另一实例，可使用切换电流比率|J_C-|/J_C+、 偏移磁场H_off及切换场强度H_c之间的关系的经验模型来确定修改偏移磁场H_off的量。

可通过修改MTJ结构的物理尺寸，例如通过修改如关于图4所论述的经钉扎层中的 一个或一个以上层厚度来得到偏移磁场H_off。然而，此经修改的存储器单元可能不具有 用于操作的足够热稳定性。

继续到812，可施加外部磁场(H_ext)以模拟具有经钉扎层的经调整厚度的MTJ结 构的操作。可测试在存在外部磁场的情况下的存储器单元的热稳定性(E_B)，以在调整 之后预测存储器单元的热稳定性以得到偏移磁场H_off。

前进到决策814，作出存储器单元是否满足目标热稳定性的确定。在不满足目标热 稳定性的情况下，在816处，可重新设计MTJ堆叠以增大热稳定性。举例来说，当所预 测的热稳定性不满足预定阈值时，可重新设计MTJ结构。重新设计MTJ结构的一个实 例是将设计改变为“反向”存储器单元配置(例如，图6的存储器单元602的配置604 或606)，以在导致例如关于图5到图6所描述的源极负载效应的偏压条件下放松切换电 流要求。

在满足目标热稳定性的情况下，在818处，可作出外部场是否大体上为零的确定。 在确定外部场大体上为零的情况下，在822处，所述方法可结束，因为已在热稳定设计 中实现恰当的切换操作。

否则，在确定外部场大体上不为零的情况下，在820处，可针对H_off调整经钉扎层 厚度。经调整的厚度可为合成经钉扎层的一个或一个以上特定层的厚度，且可使用例如 图4的模型422等模型来确定。调整MTJ结构的经钉扎层的厚度以修改耦合到所述MTJ 结构的自由层的偏移磁场H_off。经修改的偏移磁场致使MTJ结构展现经确定以使得存储 器单元处能够稳定操作的切换电流比率|J_C-|/J_C+。举例来说，可通过添加减小切换电流比 率的正场分量来修改偏移磁场。在特定实施例中，当调整经钉扎层的厚度以增大偏移磁 场时，切换电流比率得以减小。

在调整经钉扎层厚度(在820处)之后，或在重新设计MTJ结构(在816处)之后， 处理可返回到804，其中可使用经调整或经重新设计的性质来制造位单元。因此可在804 处制造具有MTJ结构的经钉扎层的经调整厚度(如由方法800所确定)的存储器单元， 且在存储器单元在814及818处满足决策的情况下，可将存储器单元的设计存储到设计 库或其它电子设计工具中且用作其它装置的组件。举例来说，可根据方法800设计 STT-MRAM存储器。根据方法800或根据本文中所描述的其它实施例而设计的存储器单 元可并入多种装置中，例如移动电话、机顶盒装置、计算机、个人数字助理(PDA)、 音乐播放器、视频播放器、存储或检索数据或计算机指令的任何其它装置，或其任何组 合。

在其它实施例中，方法800可能不包括制造位单元，且可替代地执行物理系统模拟 以预测位单元设计的行为作为自动化设计过程或设计工具的一部分。举例来说，在特定 实施例中，方法800的全部或部分可由专用电路、现场可编程门阵列、执行有形地包含 于计算机可读媒体中的计算机可读指令的处理器(例如，执行存储在计算机存储器中的 软件的处理器)、经配置以实施方法800的全部或部分的其它有形物理装置，或其任何 组合来执行，以在使用STT-MRAM存储器单元设计来制造存储器之前反复改进所述存 储器单元设计。

参看图9，将包括基于电阻的存储器的便携式电子装置的特定说明性实施例的框图 描绘并概括指定为900，所述基于电阻的存储器包括具有经编程偏移磁场的存储器单元。 装置900包括处理器，例如数字信号处理器(DSP)910，所述处理器耦合到存储器932 且还耦合到包括具有经编程偏移磁场的存储器单元的基于电阻的存储器964。在说明性 实例中，基于电阻的存储器964包括图1中所描绘的存储器装置100，或包括图2、图5 及图6中分别描绘的存储器单元200、502、602或606中的一者或一者以上，或根据图 8的方法800而形成，或其任何组合。在特定实施例中，基于电阻的存储器964为自旋 力矩转移磁阻性随机存取存储器(STT-MRAM)。

图9还展示显示器控制器926，其耦合到数字信号处理器910且耦合到显示器928。 编码器/解码器(CODEC)934也可耦合到数字信号处理器910。扬声器936及麦克风938 可耦合到CODEC 934。图9还指示无线收发器940可耦合到数字信号处理器910且耦合 到无线天线942。

处理器910经配置以执行基于电阻的存储器964的存储器单元的个别存储器单元或 存储器单元群组处的存储器操作。举例来说，处理器910可经配置以将经由天线942及 无线收发器940接收的数据(例如，经由无线通信网络接收的音频数据或视频数据)存 储在基于电阻的存储器964处。处理器910可经配置以检索基于电阻的存储器964处所 存储的数据以起始数据呈现，例如在显示装置928处显示，在扬声器936处产生，或其 任何组合。

在特定实施例中，DSP 910、显示器控制器926、存储器932、CODEC 934、无线收 发器940及基于电阻的存储器964包括于封装内系统(system-in-package)或芯片上系 统(system-on-chip)装置922中。在特定实施例中，输入装置930及电源供应器944耦 合到芯片上系统装置922。此外，在特定实施例中，如图9中所说明，显示器928、输 入装置930、扬声器936、麦克风938、无线天线942及电源供应器944处于芯片上系统 装置922的外部。然而，显示器928、输入装置930、扬声器936、麦克风938、无线天 线942及电源供应器944中的每一者可耦合到芯片上系统装置922的组件，例如接口或 控制器。

上文揭示的装置及功能性可经设计并配置成存储在计算机可读媒体上的计算机文 件(例如，RTL、GDSⅡ、GERBER等)。可将一些或所有此些文件提供到基于此些文 件制造装置的制造处置程序(fabrication handler)。所得产品包括半导体晶片，其接着被 切割成半导体裸片且封装成半导体芯片。芯片接着用于上文所描述的装置中。图10描 绘电子装置制造过程1000的特定说明性实施例。

在制造过程1000中，(例如)在研究计算机1006处接收物理装置信息1002。物理 装置信息1002可包括表示半导体装置(例如，图1的存储器装置100、图2的存储器单 元200、图5的存储器单元502、具有图6的配置604或606的存储器单元602，或其任 何组合)的至少一个物理性质的设计信息。举例来说，物理装置信息1002可包括物理 参数、材料特性，及经由耦合到研究计算机1006的用户接口1004输入的结构信息。研 究计算机1006包括处理器1008，例如一个或一个以上处理核心，其耦合到例如存储器 1010等计算机可读媒体。存储器1010可存储计算机可读指令，所述指令可执行以致使 处理器1008变换物理装置信息1002以符合文件格式且产生库文件1012。

在特定实施例中，库文件1012包括至少一个数据文件，所述至少一个数据文件包 括经变换的设计信息。举例来说，库文件1012可包括半导体装置(包括图1的存储器 装置100、图2的存储器单元200、图5的存储器单元502、具有图6的配置604或606 的存储器单元602，或其任何组合)的库，其经提供以与电子设计自动化(EDA)工具 1020一起使用。

库文件1012可在包括耦合到存储器1018的处理器1016(例如，一个或一个以上处 理核心)的设计计算机1014处结合EDA工具1020使用。EDA工具1020可作为处理器 可执行指令而存储在存储器1018处，以使设计计算机1014的用户能够使用库文件1012 的图1的存储器装置100、图2的存储器单元200、图2的存储器单元502、具有图6的 配置604或606的存储器单元602，或其任何组合来设计电路。举例来说，设计计算机 1014的用户可经由耦合到设计计算机1014的用户接口1024输入电路设计信息1022。 电路设计信息1022可包括表示半导体装置(例如，图1的存储器装置100、图2的存储 器单元200、图5的存储器单元502、具有图6的配置604或606的存储器单元602，或 其任何组合)的至少一个物理性质的设计信息。为了说明，电路设计性质可包括特定电 路及与电路设计中的其它元件的关系的识别、定位信息、特征大小信息、互连信息，或 表示半导体装置的物理性质的其它信息。

设计计算机1014可经配置以变换设计信息，其包括符合文件格式的电路设计信息 1022。为了说明，文件形成可包括表示平面几何形状、文本标签，及关于呈例如图形数 据系统(GDSⅡ)文件格式等层级格式的电路布局的其它信息的数据库二进制文件格式。 设计计算机1014可经配置以产生包括经变换设计信息的数据文件，例如GDSⅡ文件 1026，其除其它电路或信息之外，还包括描述图1的存储器装置100、图2的存储器单 元200、图5的存储器单元502、具有图6的配置604或606的存储器单元602，或其任 何组合的信息。为了说明，数据文件可包括对应于芯片上系统(SOC)的信息，所述SOC 包括图1的存储器装置100且还包括所述SOC内的额外电子电路及组件。

GDSⅡ文件1026可在制造过程1028处被接收，以根据GDSⅡ文件1026中的经变 换信息制造图1的存储器装置100、图2的存储器单元200、图5的存储器单元502、具 有图6的配置604或606的存储器单元602，或其任何组合。举例来说，装置制造过程 可包括将GDSⅡ文件1026提供给掩模制造商1030以产生一个或一个以上掩模，例如待 用于光刻处理的掩模，将其说明为代表性掩模1032。掩模1032可在制造过程期间使用 以产生一个或一个以上晶片1034，其可经测试并分离成裸片，例如代表性裸片1036。 裸片1036包括电路，所述电路包括图1的存储器装置100、图2的存储器单元200、图 5的存储器单元502、具有图6的配置604或606的存储器单元602，或其任何组合。

可将裸片1036提供给封装过程1038，在所述封装过程1038中，裸片1036并入到 代表性封装1040中。举例来说，封装1040可包括单个裸片1036或多个裸片，例如封 装中系统(SiP)布置。封装1040可经配置以遵照一个或一个以上标准或规范，例如美 国电子工程设计发展联合协会(Joint Electron Device Engineering Council，JEDEC)标准。

关于封装1040的信息可(例如)经由存储在计算机1046处的组件库分配给各种产 品设计者。计算机1046可包括处理器1048，例如一个或一个以上处理核心，其耦合到 存储器1050。印刷电路板(PCB)工具可作为处理器可执行指令存储在存储器1050处， 以处理经由用户接口1044从计算机1046的用户接收的PCB设计信息1042。PCB设计 信息1042可包括电路板上的已封装半导体装置的物理定位信息，所述已封装半导体装 置对应于包括图1的存储器装置100、图2的存储器单元200、图5的存储器单元502、 具有图6的配置604或606的存储器单元602，或其任何组合的封装1040。

计算机1046可经配置以变换PCB设计信息1042以产生数据文件，例如具有包括电 路板上的已封装半导体装置以及电连接件(例如，迹线及通路)的布局的物理定位信息 的数据的GERBER文件1052，其中所述已封装半导体装置对应于包括图1的存储器装 置100、图2的存储器单元200、图5的存储器单元502、具有图6的配置604或606的 存储器单元602，或其任何组合的封装1040。在其它实施例中，由经变换的PCB设计信 息所产生的数据文件可具有不同于GERBER格式的格式。

GERBER文件1052可在板组装过程1054处被接收，且用以产生根据存储在所述 GERBER文件1052内的设计信息而制造的PCB，例如代表性PCB 1056。举例来说， GERBER文件1052可上载到一个或一个以上机器以用于执行PCB生产过程的各种步 骤。PCB 1056可填有包括封装1040的电子组件，以形成所表示的印刷电路组合件(PCA) 1058。

PCA 1058可在产品制造过程1060处被接收且集成到一个或一个以上电子装置(例 如，第一代表性电子装置1062及第二代表性电子装置1064)中。作为说明性、非限制 性实例，第一代表性电子装置1062、第二代表性电子装置1064或所述两者可选自机顶 盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐设备、导航装置、通信装置、个人数字助理(PDA)、 固定位置数据单元及计算机的群组。作为另一说明性、非限制性实例，电子装置1062 及1064中的一者或一者以上可为例如移动电话等远程单元、手持式个人通信系统(PCS) 单元、例如个人数据助理等便携式数据单元、具有全球定位系统(GPS)能力的装置、 导航装置、例如仪表读取设备等固定位置数据单元，或存储或检索数据或计算机指令的 任何其它装置，或其任何组合。尽管图1到图9中的一者或一者以上可根据本发明的教 示来说明远程单元，但本发明不限于这些示范性所说明单元。本发明的实施例可合适地 用于包括有源集成电路(包括存储器)及用于测试及特征化的芯片上电路的任何装置中。

因此，图1的存储器装置100、图2的存储器单元200、图5的存储器单元502、具 有图6的配置604或606的存储器单元602，或其任何组合可经制造、处理，且并入到 电子装置中，如说明性过程1000中所描述。关于图1到图9所揭示的实施例的一个或 一个以上方面可包括于各种处理阶段(例如，库文件1012、GDSⅡ文件1026及GERBER 文件1052内)，以及存储在研究计算机1006的存储器1010、设计计算机1014的存储器 1018、计算机1046的存储器1050、一个或一个以上其它计算机的存储器，或用于各种 阶段(例如，用于板组装过程1054)的处理器(未图示)处，且还并入到一个或一个以 上其它物理实施例中，例如掩模1032、裸片1036、封装1040、PCA 1058、例如原型电 路或装置(未图示)等其它产品，或其任何组合。尽管描绘从物理装置设计到最终产品 的生产的各种代表性阶段，但在其它实施例中，可使用较少阶段或可包括额外阶段。类 似地，可由单个实体，或由执行过程1000的各种阶段的一个或一个以上实体来执行过 程1000。

所属领域的技术人员将进一步了解，可将结合本文中所揭示的实施例而描述的各种 说明性逻辑块、配置、模块、电路及算法步骤实施为电子硬件、计算机软件或两者的组 合。所属领域的技术人员可针对每一特定应用以不同方式实施所描述的功能性，但此些 实施决策不应被解释为会引起脱离本发明的范围。

结合本文中所揭示的实施例而描述的方法或算法的步骤可直接体现于硬件中、由处 理器执行的软件模块中，或硬件与软件模块的组合中。软件模块可驻存在随机存取存储 器(RAM)、快闪存储器、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除 可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、寄存器、硬 盘、可装卸盘、压缩光盘只读存储器(CD-ROM)，或此项技术中已知的任何其它形式 的存储媒体中。示范性存储媒体耦合到处理器，使得处理器可从存储媒体读取信息及将 信息写入到存储媒体。在替代方案中，存储媒体可与处理器成一体式。处理器及存储媒 体可驻存在专用集成电路(ASIC)中。ASIC可驻存在计算装置或用户终端中。在替代 方案中，处理器及存储媒体可作为离散组件驻存在计算装置或用户终端中。

提供所揭示实施例的先前描述是为了使所属领域的技术人员能够制作或使用所揭 示实施例。对这些实施例的各种修改对于所属领域的技术人员来说将是显而易见的，且 本文中所定义的一般原理可在不脱离本发明的范围的情况下应用于其它实施例。因此， 本发明无意限于本文中所展示的实施例，而是将被赋予与如由所附权利要求书界定的原 理及新颖特征一致的最宽可能范围。