稳定的磁存贮单元 本发明涉及磁存贮器领域。更具体地，本发明涉及在磁存贮器中提供一种稳定的磁存贮单元。
诸如磁随机存取存贮器(MRAM)等磁存贮器通常包括一磁存贮单元阵列。每个磁存贮单元通常包括一数据存储层和一参考层。数据存储层通常是在可以通过施加外部磁场而改变的取向上的磁化图形的一层磁性材料或一磁性材料薄膜，该参考层通过是一层磁性材料，其中的磁化被固定或“钉住”在一特定方向上。
在磁存贮单元的数据存储层中的磁化图形通过包括两个不同的磁化区——其内部区和边缘区。在内部区中的磁化通常对准的是一般称为的数据存储层的易轴(easy axis)。在边缘区中的磁化趋于沿相应的边对准。在磁存贮单元的数据存储层中地总磁化取向根据内部区的磁化以及边缘区的磁化产生。
通常，磁存贮单元的状态依赖于其数据存储和参考层的相对磁化取向。如果一磁存贮单元的数据存储层的总磁化取向平行于其参考层的磁化取向，则该磁存贮单元通常处于低电阻状态。相反，如果其数据存储层的总磁化取向反平行于其参考层的磁化取向，则该磁存贮单元通常处于高电阻状态。
通常，存储在磁存贮单元中的位的逻辑状态通过施加外部磁场被写入，该磁场改变数据存储层中的总磁化取向。该外部磁场可称作切换磁场，该切换磁场在其高和低电阻状态之间切换磁存贮单元。稳定磁存贮单元可被定义为一种保持其高或低电阻状态直到被一适当定义的切换磁场切换为止的磁存贮单元。
磁存贮器的制造工艺通常在靠近单个磁存贮单元的数据存储层的边缘地方产生表面不规则性。例如，这种表面不规则性可以由在形成数据存储层的边缘的构图步骤中的不精确引起。在磁存贮器中，当在光刻范围内形成较小的元件以便实现较高的存储密度时，这种影响通常变得更加明显。不幸的是，这种表面不规则性可致使个别的磁存贮单元不稳定。例如，这种表面不规则性可在数据存储层的边缘区中产生具有不可预测或随机的取向和切换性能的磁图形。
使这些负面影响最小化的一种现有解决方案是将每个数据存储层构成为具有沿其易轴伸长的尺寸的矩形。与来自边缘的作用相比，这种结构通常增加了易轴对数据存储层中的最终磁化方向的作用。不幸的是，在写操作中，这种矩形配置通常需要更多的能量以翻转数据存储层中的磁化方向，从而增加了使用这种结构的MRAM的功耗。另外，这种矩形磁存贮单元通常限制了可以被包含在MRAM中的总的存贮单元密度。
本发明公开了一种稳定的磁存贮单元，包括一具有内部区和一对端部区的数据存储层，该对端部区靠近该数据存储层的一对相对边。该稳定的磁存贮单元包括一稳定材料，该材料将端部区的磁化固定至一预定方向，借此在端部区中消除了随机取向的磁化图形，从而导致该磁存贮单元的可预测的切换性能。
本发明还公开了一种用于稳定磁存贮单元的方法，该方法采用了一系列写入场(write field)，以便在磁存贮单元的端部区中消除随机定向的磁化图形。
本发明的其它性能和优点将根据下面的详细描述而变得明白。
本发明根据其具体的示范性实施例进行描述，因此对附图进行参考，其中：
图1a-1b描述了一稳定的磁存贮单元实施例；
-图2a-2b描述了在数据存储层中用于磁存贮单元的两个稳定状态的磁化取向；
图3示出了一种用于稳定一磁存贮单元的方法；
图4是一包括磁存贮单元阵列的磁存贮器的顶视图。
图1a-1b描述了一稳定的磁存贮单元40的实施例。磁存贮单元40包括一存储可变磁场的数据存储层50和一具有固定磁取方向的参考层54。磁存贮单元40还包括在靠近数据存储层50的相对边缘的一对端部区57-58中的一些固定磁化取向的稳定材料层55-56。
在该实施例中，磁存贮单元40包括位于数据存储层50与参考层54之间的隧道阻挡层52。磁存贮单元40的这种结构可被称作自旋(spin)隧道器件，在该器件的读操作期间，电荷通过隧道阻挡层52迁移。这种通过隧道阻挡层52的电荷迁移是由于公知的自旋隧道现象并且在一读电压加到磁存贮单元40时发生。在一替换实施例中，一巨型磁阻(GMR)结构可被用于磁存贮单元40中。
图1a示出了磁存贮单元40的截面图。图1b示出了磁存贮单元40的剖面顶视图。端部区57-58对应于数据存储层50的一对相对边，该对相对边垂直于数据存储层50的易轴。数据存储层50的易轴与图示的x轴平行。
在一实施例中，稳定材料层55-56固定端部区57-58中的磁化取向到一基本上平行于y轴的方向。在一替换实施例中，稳定材料层55-56固定端部区57-58中的磁化取向到一基本上反平行于y轴的方向。
稳定材料55-56不仅固定在端部区57-58中的磁化方向，而且提供了用于层50-54的边缘的绝缘并防止电耦合至用于提供对磁存贮单元40的读写访问的导体。在一个实施例中，稳定材料55-56为镍氧化物材料，该镍氧化物材料提供反铁磁性能以固定端部区57-58并且提供适当的绝缘性能。在另外的一些实施例中，诸如Fe2O3或永磁材料等其它反铁磁材料可用于稳定材料55-56。
在其中的磁存贮单元40为GMR结构的一些实施例中，可不需要稳定材料55-56的绝缘性能，使得诸如镍锰等材料是适用的。在这样的实施例中，稳定材料55-56将用作用于相邻GMR单元的导体以及用于各个GMR单元边缘的导体。
在一个实施例中，尺寸dx和dy被选择为基本上相等并且构成用于数据存储层50的正方形。与采用矩形存贮单元时获得的相比，该数据存储层50的正方形可增强在MRAM中获得的密度。这样，对于一给定的最小部件尺寸，与矩形磁存贮单元相比，在一给定的基片面积上可以形成更多的正方形磁存贮单元。在其它的实施例中，可以采用矩形。
参考层54可以是诸如镍铁(NiFe)等坡莫合金层，该层被耦合至一固定坡莫合金层磁化取向的反铁磁层。反铁磁材料可以是铁锰(FeMn)或镍锰(NiMn)。用于该反铁磁材料的可替换材料包括NiO、TbCo、PtMn和IrMn。
图2a-2b说明了在数据存储层50中用于磁存贮单元40的两个稳定状态的磁化取向。图2a示出了第一稳定状态，而图2b示出了第二稳定状态。
响应施加的切换磁场，在数据存储层50的内部的磁化围绕x轴和数据存储层50的易轴旋转。在数据存储层50的内部的磁化在第一稳定状态中基本上取向与x轴反平行的方向，而在第二稳定状态中基本上取向与x轴平行的方向。
在端部区57-58中的磁场被固定在基本上垂直于数据存储层50的易轴的方向上。这样防止了第一或第二稳定状态的其中之一比另一个更稳定。
图3示出一种用于稳定磁存贮单元40的方法。该方法采用了一偏置磁场，以便在施加一切换磁场之前，最小化在数据存储层50中随机取向的磁化图形的小区域。该偏置磁场减小了在数据存储层50的侧面区域中的自由磁极数，这样减少了不需要的范围内的成核位置(nucleation site)。数据存储层50的侧面区域是靠近与易轴平行的数据存储层50的相对边的区域。
包括步骤100-106的用于稳定磁存贮单元40的方法被作为一个例子描述，其中，在数据存储层40内部的磁化取向基本上在正x方向，而在端部区57-58中的磁化方向处于正y方向。
在步骤102中，施加一磁场以旋转端部区57-58中的磁化朝向所需的方向并且减少端部区57-58中的自由磁极。在一个实施例中，该所需的方向是正y方向(Hy+)。在该例中，在步骤102中施加的磁场处于正y方向。在步骤102开始时，由于在数据存储层50的侧面区中的磁化处于正x方向，因此磁化的反转通过旋转而不是域核化(domain mucleation)进行。该Hy+磁场对端部区57-58起一偏置磁场的作用，以减少自由磁极数并且对准端部区57-58中的磁化到正y方向上。
在步骤104中，施加一磁场以旋转数据存储层50内部的磁化取向，使其朝向所需的逻辑状态。该步骤写磁存贮单元40为一对应位的所需第一或第二逻辑状态。在该例中，采用一在负x方向(Hx-)上的磁场将磁化方向旋转到负x方向。在步骤104后，在端部区57-58中和数据存储层50的侧面区中的磁化主要处于正y方向。磁化的反转是通过旋转而不是域核化。在步骤104后的数据存储层中的总磁化最靠近负x方向和易轴。
在步骤106中，在步骤102中施加的磁场被消除。在数据存储层50的内部区中的磁化变成主要取向x轴方向。
在步骤108中，在步骤104中施加的磁场被消除。在数据存储层50中的磁化保持在定义所需逻辑状态的方向，该方向在本例中为负x方向。
在另一实施例中，在步骤102之前，施加一磁场以减少在数据存储层50的侧面区中的自由磁极。该磁场的方向通过读当前的位状态来确定。该磁场被施加在与当前的位状态相同的方向上。在该例中，在步骤100中施加的磁场是一在正x方向(Hx+)上的磁场。
不管端部区57-58怎样如图1a-1b所示固定，方法步骤100-108都可用于磁存贮单元40。
图4是包括一磁存贮单元阵列的磁存贮器10的顶视图，该阵列由磁存贮单元40和另外的磁存贮单元41-43一起构成。磁存贮器10还包括导体20-21和30-31的阵列，允许对磁存贮单元40-43的读写访问。导体30-31是顶部导体，而导体20-21是正交的低部导体。每个磁存贮单元40-43具有尺寸dx和dy。
通过施加电流至导体20-21和30-31，磁存贮单元40-43被稳定并且其逻辑状态被操纵。例如，根据右手定则，在+x方向施加到导体30的一电流在数据存储层50中产生在+y方向上的磁场(Hy+)。在-x方向施加到导体30的一电流在数据存储层50中产生在-y方向上的磁场。类似地，在+y方向施加到导体20的一电流在数据存储层50中产生在+x方向上的磁场(Hx+)，而在-y方向施加到导体20的一电流在数据存储层50中产生在-x方向上的磁场(Hx-)。这些感应的磁场Hx+、Hx-、Hy+、Hy-可以用于稳定和/或写磁存贮单元40的逻辑状态。
本发明的上述详细描述被提供用于说明的目的并且不认为是穷举的或者是将本发明限于所公开的精确实施例。因此，本发明的范围由后附的权利要求定义。