专利名称：软参考三导体磁存储器存储装置的制作方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及磁存储装置，具体来说，涉及三导体体系结构中的软参考层磁随机存取存储器(一般称作“MRAM”)。
背景技术：
当今的计算机系统正变得越来越复杂，允许用户以越来越快的速度执行越来越多类型的计算任务。存储器的大小以及可对其存取的速度严重影响到计算机系统的整体速度。
一般来说，磁性媒体(主存储器或大容量存储器)中数据存储的基本原理是改变和/或反转存储数据位的相对磁化取向(即逻辑状态“0”或“1”)的能力。材料的矫顽性是必须施加到磁性粒子上以减少和/或反转粒子的磁化的去磁力的等级。一般来说，磁性粒子越小，则它的矫顽性越高。
一种现有技术的磁存储单元可以是隧道磁阻存储单元(TMR)、巨磁阻存储单元(GMR)或者超大磁阻存储单元(CMR)。这些类型的磁存储器通常称作自旋阀存储单元(SVM)。图1A和1B提供具有两个导体的典型现有技术的磁存储单元的透视图。
如现有技术的图1A和图1B所示，磁自旋阀存储(SVM)单元101一般包括数据层103，它也可称作存储层或比特层；参考层105；以及数据层103与参考层105之间的中间层107。数据层103、参考层105和中间层107可由一层或多层材料制成。电流和磁场可通过导电行导体109和导电列导体111提供给SVM单元101。应当理解，本文所用的术语“行导体”和“列导体”是为了便于论述而选择的。在适当情况下，这些标记可以相反和/或以其它方式代替如字线和位线这样的名称。
如图1A和1B所示的单个SVM单元通常与其它基本相同的SVM单元组合。在典型的MRAM装置中，SVM单元以交叉点阵列排列。又称作字线的平行传导列(列1、2、3...)与又称作位线的平行传导行(行A、B、C...)相交。列和行阵列的传统原理规定，任何给定的行只与任何给定的列相交一次。
SVM单元设置在行与列的每个相交的交叉点上。通过选择特定行(B)和特定列(3)，位于其相交处(B，3)的任何一个存储单元可与阵列中的任何其它存储单元隔开。这种单独索引不是没有复杂度的。
数据层103通常是一层磁性材料，它以磁化M1的取向存储数据的一位，磁化取向可随外部磁场的施加而改变。更明确地说，表示逻辑状态的数据层103的磁化M1的取向可从表示逻辑状态“0”的第一取向、即图1A中的117旋转(反转)到表示逻辑状态“1”的第二取向、即图1B中的119，和/或反之。
参考层105通常是一层磁性材料，其中，磁化M2的取向被“牵制”、就象固定在预定方向121。此方向通过磁存储单元的制造中采用的传统微电子加工工序来预先确定和建立。
数据层103和参考层105可被看作堆叠的条形磁体，每个沿X轴113较长以及沿Y轴115较短。各层的磁化具有沿易磁化轴、一般为长X轴113对齐的强烈倾向。短Y轴115一般为难磁化轴。如同传统条形磁体一样，数据层和参考层各具有磁偶极子-北(N)和南(S)-在易磁化轴的任一端有一个。围绕数据层和参考层的磁力线是三维的，并从北极流向南极。
通常，磁存储单元的逻辑状态(“0”或“1”)取决于数据层103的磁化M1与参考层105的磁化M2的相对取向，如图1A所示的117与121或者如图1B所示的119与121。例如，当电势偏置施加到SVM单元101的数据层103和参考层105上时，电子通过中间层107在数据层103与参考层105之间迁移。中间层107通常是薄介质层，它一般称作隧道势垒层。导致电子通过势垒层迁移的现象可称作量子力学隧道效应或自旋隧道效应。
逻辑状态可通过测量SVM单元101的电阻来确定。例如，如果数据层103中磁化M1的取向119与参考层105中磁化的受牵制取向121平行，则磁存储单元将处于低阻状态R，参见图1B。如果数据层103中的磁化M1的取向117与参考层105中磁化的受牵制取向121反向平行(相反)，则磁存储单元将处于高阻状态R+？R，参见图1A。M1的取向以及因而SVM单元101的逻辑状态可通过检测SVM单元101的电阻来读取。
在理想的设定中，数据层103中的可变磁场M1的取向117、119相对于参考层105的磁场M2的设定取向121平行或者反向平行。数据层103和参考层105都一般由铁磁材料制成并且彼此的位置一直极为接近，这是有问题的。受牵制参考层105可能影响数据层103的取向。更明确地说，参考层105的磁化M2可产生从参考层105延伸到数据层103的去磁场。
这种源自参考层105的去磁场的结果是矫顽性反转磁场的偏移。这种偏移会导致数据层103的反转特性的不对称，而且将位从平行反转到反向平行状态所需的反转磁场量不同于将位从反向平行状态反转到平行状态所需的反转磁场量。为了实现可靠的反转特性以及简化读/写电路，希望将这种偏移减小到尽量接近零。
磁阻？R/R比与信噪比S/N的相似之处在于，较高的S/N或磁阻比得到可被检测的较强信号以确定数据层中的位的状态。因此，具有与数据层接近且接近度固定的受牵制参考层的隧道结存储单元的至少一个缺点是由角位移导致的磁阻？R/R中的电势减小。
受牵制参考层的受牵制性质通常通过采用与铁磁(FM)材料直接物理接触的反铁磁(AFM)材料来建立。AFM材料在其奈耳温度(TN)以下磁有序，在这个温度，它们变成反铁磁性或反亚铁磁性的。AFM材料的奈耳温度与FM材料的居里温度(TC)相似，高于这个温度时，FM在没有外部磁场时丢失其具有有序磁状态的能力。一般来说，FM的TC高于AFM的TN。
对于传统的条形磁体，存在沿易磁化轴、一般为磁体的较长轴(较短轴是难磁化轴)的两个同等稳定的易自旋方向(各旋转180度)。对准任一方向要求相同的能量以及要求相同的外部磁场以在任一方向对齐原子粒子的自旋以及因而对齐磁场。
在建立可靠的受牵制磁场时，希望建立沿一个轴向的优选取向，该轴通常为易磁化轴，但在某些情况下可能为难磁化轴。通过在磁场H中在AFM上生长FM或者以高于AFM的奈耳温度的温度在磁场H中退火，磁滞回线(FM+AFM+H)变为不对称的并且移位。一般来说，这种移位明显大于H，大约在数百Oe。这种单向移位称作交换偏置，并且证明，这时存在优选易磁化轴对齐方向。
退火工序通常较费时，也许一个小时或者更长。在退火工序中，在施加磁场的同时，参考层被加热到高于TN的温度。由于参考层只是所产生的存储器的一部分，因此整个存储器通常经受范围为大约200至300度的温度。由于此温度降低通过TN，因此在AFM与FM层之间界面上的AFM分子的自旋将排序并耦合到对齐的FM自旋。AFM的这种排序对FM材料施加一个转矩，并导致建立参考层的受牵制取向。
由于这种制造应力，如果存储器后来经受高温，则参考层可能不受牵制并失去其设定取向。另外，数据层的特性可能无意中受到一些制造工序中加热的影响。
读取存储位的传统过程是有些不希望的但却有效。一般来说，通过适当的控制逻辑来选取给定SVM单元101的行导体109和列导体111。控制逻辑一般还负责通过所选列导体111和行导体109施加读出电流，测量通过SVM单元101的电流的电阻以及记录所测量的电阻值。随后，施加更大的写入电流，从而将数据层103变成已知的取向。然后，重新施加读出电流，以及再测量SVM单元101的电阻。
从已知取向确定的值(第二次读出)则与来自初始条件的值(第一次读出)进行比较。这些值或者相同或者不同，从而能够确定数据值。必要时，例如在初始位置被确定为与已知取向相反的情况下，可执行回写，以便恢复原始的初始值。这个过程是自参考过程，称作双重抽样-第一次抽样为初始读取以及第二次抽样在已知的取向写入之后。
自参考抽样的多种变化可采用双重抽样来执行；但是，根本的不利方面仍然没有改变，即要确定数据层103中存储的值，必需改变数据层103中的值。如果在重复读出和写入操作过程中出现错误，则这种为了读出而进行的改变引入了明显的数据破坏的风险因素。
由于传统的读出操作涉及回写SVM单元101的数据层103，SVM单元101的物理设计通常由写入过程施加的应力来规定，因为读出和写入操作采用相同的行导体109和列导体111来进行。由于写磁场通常由施加到与SVM单元101电接触的行和列导体109、111的电流产生，因此希望SMV单元101足够健壮以承受所施加的电流。因此，设计和制造问题一般集中于写操作提出的要求，例如更大的电流和磁场、更高的施加电压、电源中更健壮的特性、行导体109和列导体111以及适当的缓冲空间。
对于磁存储元件，矫顽性随尺寸减小而增加是众所周知的。大矫顽性一般是不希望的，因为它必须采用更大的磁场来反转。更大的磁场又要求更大的电源，并且可能要求更大的开关晶体管和导体。提供大电源和大开关晶体管一般与减少纳米级元件的尺寸的工业要求不相符。
另外，为了减少无意间反转相邻存储单元的可能性，纳米级存储单元相对其整体尺寸的间隔一般比较大的非纳米尺寸的存储单元更宽。此外，随着磁存储器的尺寸减小，各个存储单元之间的未使用的缓冲空间倾向于增加。消除这个缓冲空间或者减小其比率可在相同物理空间中提供更大的存储容量。
读取-写入电流的这些问题、导体和电源的健壮性、尺寸减少增加矫顽性并产生相应更大的磁场、以及磁存储单元的电流设计也带入磁场传感器的设计和使用中。磁场传感器常用于硬盘驱动器读取单元和读磁头。在这种实现中，数据层103称作读出层。而MRAM单元中的数据层的取向M1一般通过行和列导体所提供的磁场来建立，读磁头中的读出层的取向M1一般通过从接近读磁头的存储位发出的磁场来建立。
因此，需要一种克服上述一个或多个缺陷的超高密度磁存储器。
发明内容
通过提供软参考三导体磁存储器存储装置，本公开推进了现有技术并克服了上述问题。
具体来说，仅通过举例，根据一个实施例，软参考三导体磁存储器存储装置包括导电的第一读出/写入导体；导电的第二读出导体；软参考SVM单元，位于第一读出/写入导体与第二读出导体之间并与其电接触，存储单元包括具有可变磁化取向的材料；以及导电的第三写入列导体，充分接近第二读出导体并与其电绝缘。
在又一个实施例中，提供一种自参考非破坏性确定磁存储器存储装置中的数据值的方法，所述磁存储器存储装置具有多个软参考层三导体SVM单元，每个单元包括至少一个数据层和至少一个软参考层，该方法包括选择与给定的第一读出/写入导体、给定的第二读出导体电接触而且充分接近第三写入列导体并与其电绝缘的给定SVM单元；向第三写入列导体提供初始磁场电流；初始电流产生接近给定SVM单元的初始读出磁场；采用初始读出磁场即时牵制给定SVM单元的软参考层的取向；由给定的第一读出/写入导体和第二读出导体通过给定SVM单元提供初始读出电流；测量给定SVM单元的初始电阻值；存储初始电阻值；向第三写入列导体提供第二已知磁场电流，第二已知电流产生使软参考层定向在第二已知取向的第二已知读出磁场；由给定的第一读出/写入导体和第二读出导体通过给定SVM单元提供第二读出电流；存储第二电阻值作为参考电阻；将初始电阻值与参考电阻值进行比较；以及返回与比较状态关联的逻辑电平。
图1A～1B表示具有两个导体的现有技术磁存储单元的透视图；图2A提供根据一个实施例的软参考三导体磁存储器的平面图；图2B提供根据一个备选实施例的软参考三导体磁存储器的平面图；图2C提供根据又一个备选实施例的软参考三导体磁存储器的平面图；图3提供根据图2A的存储器的平面图；图4A是图3A的存储器的交叉点阵列的局部透视图；图4B说明图2A至4A的存储器的反转模型；图5A和5B表示图2A的存储器对于所产生的读出磁场的局部透视图；图6A和6B表示图2A的存储器对于所产生的写入磁场的局部透视图；图7是流程图，说明非破坏性读出根据图2A、5A和5B的存储器中的数据值的步骤。
具体实施例方式
在继续进行详细描述之前，应当知道，本理论是作为实例而不是限制。本文的概念不限于与特定类型的磁存储器配合使用或应用。因此，虽然本文所述的方式是为了便于针对示范实施例的说明、表示和描述，但应理解，本文的原理同样适用于其它类型的磁存储器。
现在参照附图、更具体地参照图2A，表示具有至少一个软参考自旋阀磁存储(SVM)单元202的软参考三导体磁存储器200的一部分。在至少一个实施例中，存储单元202是具有导电的第一读出/写入导体204、导电的第二读出导体206以及导电的第三写入列导体208的软参考SVM单元202。
软参考SVM单元202具有铁磁数据层210、中间层212和铁磁软参考层214。铁磁数据层210允许以磁化M1的可变取向220存储数据的一位。中间层212具有相对侧，使得与一侧接触的数据层210直接对齐与中间层212的第二侧接触的软参考层214并且与其基本上均匀地间隔。软参考层214的特征在于磁化M2的非牵制取向222以及比数据层210更低的矫顽性。
数据层210通常通过采用铁磁(FM)材料层来建立。与受牵制参考层不同，FM层一般没有设置成与反铁磁(AFM)层接触，因为它一般不需要建立磁反转偏置。数据层210的磁滞回线基本上是对称的，表明磁对准的两个基本同等容易的方向。
当施加适当磁场时，数据层210的磁化取向M1 220可定向在一般沿易磁化轴的选定方向，并且当磁场取消时仍然保持那个取向。更明确地说，取向M1 220通过施加克服数据层210的矫顽性Hc(data)的磁场来设置。简言之，数据层210的磁性取向M1 220是可改变的，但将保持在取向的最后状态。
与现有技术的受牵制参考层相比，软参考层214通过提供没有与AFM层直接接触的FM层来建立。软参考层214的矫顽性Hc(sref)实质上为最小。此外，在存在具有高于Hc(ref)的大小的磁场时，软参考层214的矫顽性将被克服，以及软参考层214的取向M2 222将与该磁场对齐。因此，软参考层214与数据层210相似之处在于具有在出现磁场时进行定向的能力。
铁磁数据层210和软参考层214可由包括例如以下各项的材料制成镍铁(NiFe)、镍铁钴(NiFeCo)、钴铁(CoFe)以及这些金属的合金。在至少一个实施例中，数据层210和软参考层214由NiFe制成。数据层210与软参考层214的一个差别在于，软参考层214的矫顽性Hc(sref)小于数据层210的矫顽性Hc(data)。这样，软参考层214的取向M 222可以被定向/重定向而不破坏数据层210的取向M1 220。矫顽性的差异可通过数据层210和软参考层214的形状、厚度或成分来实现。
另外，软参考层214和数据层210都可由多层材料制成。可能希望多个层的这样构成例如提供比通过应用极厚或极薄的FM材料层可实现的更均匀的磁结构。但是，为了概念简洁以及便于论述，各层组件在本文中描述为单层。
如图所示，在图2A、2B和2C中，第三写入列导体208充分接近第二读出导体206并与其电绝缘。在至少一个实施例中，这种电绝缘可通过物理间隔216来实现。在适当情况下，这种绝缘可通过采用例如电介质之类的材料来实现。在至少一个实施例中，这种绝缘采用第三写入列208与第二读出导体206之间的电介质来实现。更明确地说，第三写入列导体208没有与SVM单元202电接触。
SVM单元202位于第一读出/写入导体204与第二读出导体206之间并与其电接触。更明确地说，在至少一个实施例中，第一读出/写入导体204与数据层210电接触，与中间层212相对。同样，第二读出导体206与软参考层214电接触，与中间层212相对。
在至少一个备选实施例中，这种关系被调转。更明确地说，如图2B所示，第一读出/写入导体204与软参考层214电接触，以及第二读出导体206与数据层210电接触。
在又一个实施例中，如图2C所示，在适当情况下，第三写入列导体208和/或第一读出/写入导体204可至少局部涂敷铁磁覆层218，从而将磁场集中于数据层并使读出和写入磁场的扩展最小。
图3在概念上说明磁存储器200的较大部分，其中，多个SVM单元202、300、302和304排列在交叉点阵列中(参见图4)。如图所示，交叉点阵列400包括多个平行导电的第一读出/写入导体204和204’(参见图4的204’)。多个导电的第二读出导体206、306、308和310跨过第一读出/写入导体204和204’，从而形成具有多个相交点的交叉点阵列。
在至少一个实施例中，第一读出/写入导体(204，204’)垂直于第二读出导体(206，306，308，310)。第一读出/写入导体(204，204’)可描述为传导行或传导字线。第二读出导体(206，306，308，400)可描述为传导列或传导位线。
还提供了多个软参考SVM单元202、300、302和304。各单元分别与给定的第一读出/写入导体与给定的第二读出导体之间的相交点电接触并设置在那里。此外，各软参考SVM单元202、300、302和304的布置与交叉点阵列400的相交点基本上对齐。
多个导电的第三写入列导体208、312、314和316设置为充分接近第二读出导体206、306、308和310并与其电绝缘。如图所示，在至少一个实施例中，导电的第三写入列导体208、312、314和316与第二读出导体206、306、308和310基本平行并与其对齐。
图4A提供图3所示的交叉点阵列体系结构的透视图。SVM单元300、300’和202’与如上所述且如图2～3所示的SVM单元202的部件结构平行。如图所示，第三写入列导体208和312彼此基本平行以及与第二读出导体206和306平行。还可更全面地了解写入导体208和312的电绝缘。表示为物理空间216的绝缘，在适当情况下，这个电绝缘也可通过采用提供电绝缘同时允许磁相互作用的电介质或其它材料来实现。
SVM存储单元的性能和属性一般是大家理解的。具体来说，三种SVM单元是已知的隧道磁阻存储单元(TMR)、巨磁阻存储单元(GMR)以及超大磁阻存储单元(CMR)。GMR和CMR存储单元具有相似的磁性能，但它们的磁阻由不同的物理效应产生，因为导电机制不同。更明确地说，在基于TMR的存储单元中，此现象称作量子力学隧道效应或自旋相关隧道效应。在TMR存储单元中，中间层212是薄介质材料势垒，通过它，电子以量子力学方式穿过数据层210与软参考层214之间。
在GMR存储单元中，中间层212是非磁性、但导电的材料的薄间隔层。这里，导电是经由中间层212通过数据层210与软参考层214之间的电子的自旋相关散射。在任一情况下，数据层210与软参考层214之间的电阻将随着磁场M1 220和M2 222的相对取向增大或减小。正是电阻的那个差异被检测以确定数据层210正存储逻辑状态“0”还是逻辑状态“1”。
在至少一个实施例中，SVM单元202为TMR单元，其中，中间层212是由将数据层210与软参考层214分隔开且电绝缘的电绝缘材料(电介质)制成的隧道层。介质中间层212的适当介质材料可包括但不限于氧化硅(SiO2)、氧化镁(MgO)、氮化硅(SiNx)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlNx)以及氧化钽(TaOx)。在至少一个实施例中，中间层212为氧化硅。
在至少另一个实施例中，SVM单元202为GMR或CMR单元，其中，中间层212由诸如元素周期表中列出的3d、4d或5d过渡金属之类的非磁性材料制成。用于非磁性中间层212的适当非磁性材料可包括但不限于铜(Cu)、金(Au)和银(Ag)。在至少一个实施例中，中间层212为铜。
虽然中间层212的实际厚度取决于为构建中间层212选择的材料以及预期的隧道存储单元的类型，但一般来说，中间层212的厚度为大约0.5nm至大约5.0nm。但是，在适当情况下，这个厚度可以增加或减少。
图2A至4A中所示的软参考层214这样命名是因为磁化M2取向的方向可以动态设置。这种动态设置可通过由流经至少一个导体的外部提供电流所提供的一个或多个磁场来实现。这种动态设置可称作即时被牵制，或者更适当地称作即时定向，如本文所使用的那样。
软参考层214的使用在SVM单元202中具有若干有利好处。由于软参考层在取向上没有实质受到牵制，因此不需要使SVM单元202受到如建立固定/受牵制参考层通常所需的制造过程中的高温。另外，在软参考层214中缺少充分且恒定的磁场也降低了来自软参考层214的去磁场对数据层210起作用的可能性，从而减少矫顽性反转磁场的偏移。
相同的磁偶极子(北极-北极)相斥而相反的磁偶极子(北极-南极)相吸。由于这种固有特性，软参考层214可描述为具有“静止的”M2的取向。当“静止”时，软参考层214的M2的取向222将与M1的取向220反向平行，因为沿易磁化轴M1 220的任何方向已经在数据层210中设置。
这种“静止”关系如图3和图4A所示，其中表示在M1 220与M2 222之间具有反向平行关系的SVM单元202以及在M1 318与M2320之间具有反向平行关系的SVM单元300。“静止”状态出现在只有实质上对软参考层214起作用的磁场是数据层210的磁场时。这种“静止”条件还存在于当电流通过邻近导体时产生的接近SVM单元202的磁场大小基本为零时。
三导体的使用在读出和写入方面提供若干优于现有技术的优点。写操作取决于提供充分的磁反转磁场以克服数据层210的矫顽性并以预期方向来定向其磁化M1。这个操作与电流通过SVM单元202的流动无关。
由于第三写入列导体208和312与第二读出导体206和306电绝缘，因而意味着与SVM单元202、202’、300、300’电绝缘，因此更大电压可施加到第三写入列导体208和312。这个更大电压允许通过第三写入列导体208和312施加比原来可能施加到SVM单元202、202’、300和300’上的电流更大的电流。第三写入列导体208和312中的电流的目的是产生磁反转磁场。提供至少一个反转磁场而不要求SVM单元202、202’、300和300’承受必要的高电流减少了SVM单元202、202’、300和300’的疲劳和/或出故障的可能性。
此外，磁反转磁场可沿难磁化轴、软磁化轴的任一个或者两者的组合来施加。如图4B所示，沿难磁化轴HA 450和易磁化轴EA 452的组合磁场提供一种“Stoner-Wohlfarth”星形反转模型。组合磁场提供表示为星形454的反转磁场。处于星形454之内的单独磁场或组合磁场不足以克服粒子的矫顽性，而处于星形454之上或之外的单独或组合的一组磁场将克服粒子的矫顽性。更明确地说，点456表示足以克服粒子的矫顽性并将它与“1”取向对齐的组合磁场，在这个点上，单独的磁场本身是不够的。
第三写入列导体208沿易磁化轴对数据层210提供写入磁场，它本身不足以克服数据层210的矫顽性并定向M1。但是，与提供沿难磁化轴的附加写入磁场的第一读出/写入导体204配合工作，组合磁场将足以克服数据层210的矫顽性。组合磁场对软参考层214的作用实质上是不用关心的，因为软参考取向M2不是固定的，并且在施加了适当读出磁场时将再次响应。
组合磁场的使用有利地减少了无意的半选写入错误的可能性-非预期单元也被无意地重定向的情况。在没有来自第一读出/写入导体204的附加电流时，或者通过采用较低电流，第三写入列导体208即时定向软参考层214。
另外，在三导体体系结构内的软参考层214的使用允许确定数据层210中存储的数据位而不用破坏性地盖写和重写该数据位。因此，有利地避免了无意数据破坏的实际可能性。
更明确地说，在读操作过程中，铁磁软参考层214通过流入第三写入列导体208的至少一个读出电流所产生的读出磁场被即时定向到预期取向。这个所产生的磁场不足以影响数据层210的取向。
要理解，图2至6所示的配置是为了便于概念说明而提供的。在适当情况下，可以不采用第三写入列导体与第二读出导体之间的平行关系。另外，将SVM单元、数据层、中间层、软参考层、第一读出/写入导体、第二读出导体以及第三写入列导体描述为矩形结构不是意在建议或暗示它们在每个实施例中都采取这种形式。还要知道，附图不是按照比例的。
已经描述了软参考三导体磁存储器200的以上物理实施例，现在将参照说明交叉点阵列的图5A-5B和6A-6B以及图7的流程图来描述与用于非破坏性确定数据层210中保持的值的方法有关的另一实施例。应当知道，所述方法不需要按照本文所述的顺序来执行，这个描述只是根据此方式采用软参考三导体磁存储器200的至少一种方法的示范。除了以上附图使用的参考标号中的第一个“2”，图5A～6B中的其余标号沿用其它图中所用的标号，以表明相似性。
如图7的流程图所示，在步骤700中从具有多个软参考三导体磁存储单元的存储装置中进行给定磁存储单元的选取。选取采用适当的控制逻辑来实现。这种控制逻辑例如可包括以可反转方式连接到接近所选SVM单元的适当导体的行和列选择器。更明确地说，图5A和5B在概念上说明基本上与上述SVM单元202相似的所选SVM单元502的透视图。
如图所示，SVM单元502具有至少一个铁磁数据层510、中间层512和铁磁软参考层514。铁磁数据层510允许以磁化M1的可变取向存储数据的一位。中间层512具有相对侧，使得与一侧接触的数据层510直接对齐与中间层512的第二侧接触的软参考层514并且与其基本上均匀地间隔。软参考层514的特征在于磁化M2的非牵制取向以及比数据层510更低的矫顽性。
如图所示的透视剖面说明交叉点体系结构中的软参考三导体磁存储器200。第一读出/写入导体504与数据层510电接触，并基本上垂直于与软参考层514电接触的第二读出导体506。第三写入列导体508充分接近第二读出导体506并与其电绝缘。在至少一个实施例中，这个电绝缘通过物理间隔516来提供。
在没有施加电流、即电流大小基本上约为零的松弛状态，软参考层514的M2的取向将与数据层510的取向M1反向平行。这是因为磁耦合的原理。简单来说，磁体的北极被吸引到另一个磁体的南极，反之亦然。
由于软参考层514没有固定取向，因此当没有其它磁场存在和起主导作用时，它将自行对齐为与数据层510相反，从而将其北极提供到数据层510的南极，以及其南极提供到数据层510的北极。这种反向平行松弛状态取向不受SVM单元502设置在其它SVM单元附近的影响，例如与交叉点阵列中一样。
通过在交叉点阵列中选取的SVM单元，提供初始读出电流。这个初始读出电流以及随后的电流可通过未示出的适当控制逻辑来提供和控制。初始读出电流可描述为具有至少两个分量-用于产生磁场并对软参考层定向的IS(框702和704)以及通过SVM单元502并允许测量电阻的IR(框706和708)。如图5A和5B所示，IS分量通过第三写入列导体508施加，以及IR分量通过第一读出/写入导体504和第二读出导体506施加。
在至少一个实施例中，分量分离为两个不同的读出电流是有利的。由于IS分量可由更大的电压电位来驱动，因此该分离允许第一读出/写入导体504、第二读出导体506和SVM单元502在不需要过度关心承受大电压电位的能力的情况下被制造。在至少一个实施例中，初始IS电流充分低。这样，IR分量允许当M2实质上处于其松弛的自然的、相对M1反向平行状态时测量电阻。
SVM单元502的电阻被测量并记录为框708和710中所示的“R1”。所提供的初始IS电流可按照不是直接已知的任意方向来施加。所提供的初始IS电流可充分低，使得其大小实际上为零，并且不使软参考层514即时定向。这样，虽然初始电阻等级R1可以得到，但提供用于比较的参考一般是有益的，最好是局部参考或自参考。仅通过以如框712所示的第二已知方向施加IS电流，可有利地得到这种参考值，而不需要破坏数据层510的取向M1。
如框712至718所示，来自第二已知方向的电阻值(第二电阻R2)被测量并记录为参考电阻。更明确地说，如框712所示，第二读出电流IS被提供给第三写入列导体，以已知方向流动。在至少一个实施例中，这个已知方向与初始IS电流的电流流动相反。
如图5A所示，读出电流IS正流入页面中，由符号“+”表示，使得磁场(由弯箭头550表示)根据右手定则具有顺时针方向的矢量。因此，软参考层514的M2的取向被即时定向成向左。磁场550特意设计为相当小(在图4B的星形454内)，并且不足以影响数据层510的M1的取向。
基本上与在已知方向的磁场的产生同时，第二读出电流IR2被施加到第一读出/写入导体以及第二读出导体，从而允许电流IR2流过SVM单元502。在至少一个实施例中，IR2基本上与IR相等。电流IR2的电阻R2被测量和记录(框716和718)。
由于参考电阻这时为已知的，因此可比较初始电阻。如判定框720所述，如果初始电阻不同于参考电阻(R1＞R2)，则返回与这个第一状态关联的第一逻辑电平(框722)。如果初始电阻没有不同(R1＝R2)，则返回与这个第二状态关联的第二逻辑电平(框724)。
这种方法有利地允许以非破坏性方式来确定数据层510中M1的取向。另外，有利的是不需要执行回写操作以重置M1的初始条件，因为它没有发生改变。消除可能的操作允许软参考三导体磁存储器200在原本需要回写操作的情况下更快速地操作。
在适当情况下，可采取一种略有不同的读出数据值的方式。简言之，软参考层被即时牵制到两个已知方向，其中对每个测量电阻。所测量的电阻值则进行比较以确定数据层中M1的取向。
例如，结合图5A和5B，初始电流IS以第一已知方向施加到第三写入列导体508。如图5A所示，读出电流IS正流入页面中，由符号“+”表示，使得磁场550根据右手定则具有顺时针方向的矢量。因此，软参考层514的M2的取向560被即时定向为向左。磁场550特意设计为较小，并且不足以影响数据层510的M1的取向570。
由于第三写入列导体508特意与SVM单元502电绝缘，因此独立的初始电流IR施加到第二读出导体506，以便通过SVM单元502流到第一读出/写入导体504。然后，第一已知读出电流产生的电阻(第一电阻R1)被测量并记录作为参考电阻。
如图5B所示，电流IS则以第二已知方向施加到第三写入列导体508。如图5B所示，读出电流IS正流出页面，由符号“·”表示，使得磁场(由弯箭头552表示)根据右手定则具有逆时针方向的矢量。因此，软参考层514的M2的取向562被即时定向成向右。如前面所述，磁场552相当小，并且不足以影响数据层510的M1的取向570。
第二已知电流IS的电阻(第二电阻R2)被测量和记录。由于这时R2为已知，因此R1和R2的值可进行比较(判定720)。如果初始电阻大于第二电阻(R1＞R2)，则返回与这个第一状态关联的第一逻辑电平(框722)。如果初始电阻小于第二电阻(R1＜R2)，则返回与这个第二状态关联的第二逻辑电平(框724)。
在适当情况下，这个独立的初始电流IR可被施加，以便通过SVM单元502从第一读出/写入导体504流到第二读出导体506。此外，在至少一个实施例中，对于SVM单元中电阻的读出，电流IR的方向实质上是不重要的。
对于任一种方法，应当理解，在R1大于R2的情况下，返回与第一状态关联的第一逻辑电平。因此，在适当情况下，该方法可简化为测试这个条件R1＞R2。此外，在至少一个实施例中，为确定电阻而对通过SVM单元502的电流的测量根据时间的积分来进行。
未选取的SVM单元的无意重定向在写操作中被有利地减少。如图6A和6B所示，所选数据层510的重定向将出现于第三写入列导体508的磁场550与第一读出/写入导体504的磁场(表示为箭头600和602)结合的情况下。当适当的电流IW通过第一读出/写入导体504提供时，提供磁场600、602。
如图6A所示，磁场550和600共同将数据层510的M1 610向左对齐。如图6B所示，磁场552和602共同将数据层510的M1 612向右对齐。在任一情况下，磁场在所选SVM单元502上结合，允许所选SVM单元502的重定向，同时降低无意反转未选取SVM单元的可能性。软参考层514的取向不太重要，因为一旦取消磁场，M2的取向将返回到松弛状态(与M1反向平行)。
可以理解和知道，可采用惯例，例如在M1和M2在第一状态中反向平行(高阻)的情况下存在逻辑状态“1”，以及在M1和M2在第二状态中平行(低阻)的情况下存在逻辑状态“0”。重要的是要注意，初始电阻(第一电阻)的读出可反复进行并求平均。同样，第二电阻的读出也可反复进行，因为众所周知的是，通过更大抽样，可减小任意误差。
由于软参考层514的M2的取向560、562在读出过程中被改变而数据层510的M1的取向570则没有改变，因此数据层510在读取/读出过程中的破坏/损坏实质上是不可能的，因为数据层510没有受到现有技术中常用的任何写或重写操作。这种非破坏性读出能力是最有利的。
另一个实施例可理解为一种结合了软参考三导体磁存储器200的计算机系统。配有主板、CPU以及至少一个包含如上所述软参考三导体磁存储器200的一个实施例的存储装置的计算机使改进的SVM单元的优点提高到系统级。
在上述方法、系统和结构中可进行变更，而没有背离其范围。因此，应该指出，以上描述中包含的或者附图所示的事项应该被解释为说明性而不是限制性的。以下权利要求意在涵盖本文所述的所有一般和特殊特征，以及作为语言问题对本方法、系统和结构的范围的所有陈述可视为落入该范围之中。
权利要求
1.一种软参考三导体磁存储器(200)存储装置，包括多个平行导电的第一读出/写入导体(204，204’)；多个平行导电的第二读出导体(206，306)，与所述第一读出/写入导体(204，204’)交叉，从而均形成具有多个相交点的交叉点阵列(400)；多个软参考自旋阀存储器(SVM)单元(202，202’，300，300’)，每个SVM单元(202，202’，300，300’)设置在第一读出/写入导体(204)和第二读出导体(306)之间的相交点处并与其电接触，所述SVM单元(202，202’，300，300’)包含具有可变磁化取向的材料；以及多个平行导电的第三写入列导体(208，312)，充分接近所述第二读出导体(206，306)并与其电绝缘。
2.如权利要求1所述的磁存储器(200)装置，其特征在于，所述第三写入列导体(208，312)通过物理间隔与所述第二读出导体(206，306)电绝缘。
3.如权利要求1所述的磁存储器(200)装置，其特征在于，所述第三写入列导体(208，312)与所述第二读出导体(206，306)通过它们之间的电介质来电绝缘。
4.如权利要求1所述的磁存储器(200)装置，其特征在于，所述第三写入列导体(208，312)与所述第二读出导体(206，306)基本上平行。
5.如权利要求1所述的磁存储器(200)装置，其特征在于，所述第三写入列导体(208，312)基本上被铁磁覆层(216)包围。
6.如权利要求1所述的磁存储器(200)装置，其特征在于，所述第一读出/写入导体(204，204’)基本上被铁磁覆层(216)包围。
7.如权利要求1所述的磁存储器(200)装置，其特征在于，各SVM存储单元(202)包括至少一个铁磁数据层(210)，其特征在于可变的磁化取向；中间(212)层，与所述数据层(210)接触；以及至少一个铁磁软参考层(214)，与所述中间层(212)接触，与所述数据层(210)相对，所述软参考层(214)具有不受牵制的磁化取向以及比所述数据层(210)更低的矫顽性。
8.如权利要求7所述的磁存储器(200)装置，其特征在于，所述SVM单元(202)可在读操作过程中工作，使得给定单元(202)的所述至少一个铁磁软参考层(214)通过流入与所选SVM单元(202)相交的至少一个第三写入列导体(208)的至少一个读出电流所产生的读出磁场(550)即时定向到预期取向，所述磁场(550)不足以影响所述所选单元(202)的至少一个铁磁数据层(210)的取向；以及其中所述SVM单元(202)可在写操作过程中工作，使得组合的写磁场(600，602)由流入与所选单元(202)接触的第一读出/写入导体(204)的写入电流和流入与所述所选单元(202)相交的第三写入列导体(208)的写入电流产生，所述组合磁场(600，602)足以使所述至少一个铁磁数据层(210)定向。
9.如权利要求7所述的磁存储器(200)装置，其特征在于，所述至少一个铁磁数据层(210)和所述至少一个铁磁软参考层(214)均特征还在于具有难磁化轴(450)和易磁化轴(452)，所述至少一个铁磁数据层(210)的所述易磁化轴(452)与所述至少一个铁磁软参考层(214)的所述易磁化轴(452)基本上平行，以及所述第三写入列导体(208)基本上垂直于所述至少一个铁磁数据层(210)和所述至少一个铁磁软参考层(214)的所述易磁化轴(452)。
10.一种自参考非破坏性确定磁存储器(200)存储装置中的数据值的方法，所述磁存储器存储装置具有多个软参考层(214)三导体SVM单元(202)，每个单元(202)包括至少一个数据层(210)和至少一个软参考层(214)，所述方法包括选取与给定的第一读出/写入导体(204)、给定的第二读出导体(206)电接触而且充分接近第三写入列导体(208)并与其电绝缘的给定SVM单元(202)；将初始磁场电流提供给所述第三写入列导体(208)，所述初始电流在所述给定SVM单元(202)附近产生初始读出磁场(550)；以与所述初始读出磁场(550)一致的取向即时定向所述给定SVM单元(202)的所述至少一个软参考层(214)；由所述给定的第一读出/写入导体(204)和第二读出导体(206)通过所述给定SVM单元(202)提供初始读出电流；测量所述给定SVM单元(202)的初始电阻值；存储所述初始电阻值；将第二已知磁场电流提供给所述第三写入列导体(208)，所述第二已知电流产生使所述至少一个软参考层(214)定向在第二已知方向的第二已知读出磁场(550)；由所述给定的第一读出/写入导体(204)和第二读出导体(206)通过所述给定SVM单元(202)提供第二读出电流；存储第二电阻值作为参考电阻；将所述初始电阻值与所述参考电阻值进行比较；以及返回与所比较状态相关联的逻辑电平。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述读出磁场(550，552)不影响所述至少一个数据层(210)。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二已知磁场电流以与所述初始磁场电流相反的方向流动。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述初始磁场电流的大小实质上约为零。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，当所述至少一个软参考层(214)与所述至少一个数据层(210)反向平行时，测量所述初始电阻值。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法反复进行不止一次。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述至少一个参考层(214)的特征在于具有难磁化轴(450)和易磁化轴(452)，所述初始磁场和第二磁场(550，552)与所述易磁化轴(452)一致。
全文摘要
本发明提供一种软参考三导体磁存储器(200)存储装置。在特定实施例中，存在多个平行导电的第一读出/写入导体(204，204’)以及多个平行导电的第二读出导体(206，306)。第一读出/写入和第二读出导体(204，204’和206，306)可提供交叉点阵列(400)。软参考磁存储器(SVM)单元(202，202’)设置在各相交点并与其电接触。另外还存在多个平行导电的写入列导体(208，312)，它们充分接近第二读出导体(206，306)并与其电绝缘。读出磁场(550，552)使软参考层(214)定向但不改变单元(202)中存储的数据。还提供一种相关使用方法。
文档编号H01L21/70GK1674148SQ200510063759
公开日2005年9月28日 申请日期2005年3月22日 优先权日2004年3月23日
发明者F·A·佩尔纳, K·K·史密斯 申请人:惠普开发有限公司