專利名稱：用于磁存儲器的數據保持指示器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁存儲器，例如磁阻隨機存取存儲器(MRAM)，更具體地說，涉及一種方法和一種器件用來指示這種磁存儲器的數據保持，從而指示無差錯磁存儲器性能。
背景技術：
目前，磁性或磁阻隨機存取存儲器(MRAM)被許多公司看作快閃存儲器的替代品。除最快的靜態(tài)RAM(SRAM)以外，它具有替代所有存儲器的潛力。這使得MRAM非常適合作為片上系統(tǒng)(SoC)的嵌入式存儲器。它是一種非易失性的存儲器(NVM)器件，這意味著保持存儲的信息不需要任何電力。相對于大多數其它類型的存儲器來說，這一點被看作是一個優(yōu)點。MRAM存儲器尤其是能夠用于“移動”應用上，例如智能卡、移動電話、PDA等。
MRAM概念最初是在美國的Honeywell公司發(fā)展起來的，它將磁性多層器件中的磁化方向用作信息存儲器，而將得到的電阻差用于讀出信息。與所有的存儲器器件一樣，MRAM陣列中的每個存儲器元件都必須能夠保存代表“1”或“0”的至少兩個二進制狀態(tài)。
存在不同種類的磁阻(MR)效應，其中巨型磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)是目前最重要的。GMR效應和TMR效應提供了實現(xiàn)只添加(a.o.)非易失性磁存儲器的可能性。這些器件包括一疊薄膜，其中至少兩層是鐵磁性的或亞鐵磁性的，并且由一層非磁性中間層分隔開。GMR是具有導體中間層結構的磁阻，TMR是具有電介質中間層結構的磁阻。如果在兩個鐵磁性或亞鐵磁性膜中間放上非常薄的導體，那么，這種復合多層結構的有效平面電阻，在這些膜的磁化方向平行的時候最小，在這些膜的磁化方向反平行的時候最大。如果在兩個鐵磁性或亞鐵磁性膜中間放上薄電介質中間層，那么，當這些膜的磁化方向平行的時候，將觀測到膜之間的隧道電流最大(或者因此電阻最小)，當這些膜的磁化方向反平行的時候，膜之間的隧道電流最小(或者因此電阻最大)。
通常用上述結構從平行變到反平行磁化狀態(tài)時電阻的百分比增量來測量磁阻。TMR器件能夠比GMR結構提供更高百分比的磁阻，因此，具有更強信號和更高速度的潛力。與好的GMR單元中10～14％的磁阻相比，新近的結果表明隧道效應給出了超過40％的磁阻。
典型的MRAM器件包括排列成陣列的多個磁阻存儲器元件10，例如磁隧道結(MTJ)元件，圖1示出了其中的一個。圖2示出了磁阻存儲器元件10陣列20。MTJ存儲器元件10一般包括一個分層結構，這種結構包括定位或固定的(pinned)難磁化層11、自由層12和它們之間的電介質隔層13。磁性材料的固定層11具有總是指向同一方向的磁矢量。自由層12用于信息存儲。自由層12的磁矢量是自由的，但是被限制在自由層12的易磁化軸之內，這個易磁化軸主要是由磁阻存儲器元件10的物理尺寸決定的。自由層12的磁矢量指向兩個方向之一與固定層11的磁化強度方向平行或反平行，該磁化強度方向和所述易磁化軸一致。MRAM的基本原理是以磁化強度方向為基礎，將信息作為二進制數據例如“0”和“1”來存儲。這就是為什么磁數據是非易失性的，不會改變，直到受到外部磁場的影響。
向磁阻存儲器元件10中存儲或寫入數據是通過施加磁場，從而導致自由層12中的磁性材料磁化成兩種可能的存儲態(tài)之一完成的。當磁阻存儲器元件10分層結構的兩個磁層11、12被磁化為具有相同取向(平行)時，數據是兩個二進制數值中的一個，例如“0”，另外，如果磁阻存儲器元件10分層結構的兩個磁層11、12被磁化為具有相反取向(反平行)，那么這個數據是另一個二進制數值，例如“1”。這些磁場是通過使電流流過在這些磁結構外部的電流線(字線14、14a、14b、14c和位線15、15a、15b、15c)而產生的。要注意，兩個磁場分量是用來區(qū)分存儲器元件10s和其它未被選中的存儲器元件10的。
數據的讀出是在施加磁場時，通過感測磁存儲器元件10中的電阻變化來實現(xiàn)的。利用分層結構11、12、13的電阻隨著磁取向是否平行而改變這一事實，該系統(tǒng)能夠區(qū)分數據的兩個二進制值，例如“0”或者“1”。用于讀出所必需的磁場是通過使電流流過在這些磁結構外部的字線，或者流過這些磁結構本身(通過位線15和感測線16)而產生的。對選中存儲器元件10s的讀出是通過一個連接到過孔21的串聯(lián)晶體管17，以避免寄生電流流過其它存儲器元件10實現(xiàn)的。
最常見的MRAM設計是1T1MTJ(每1個MTJ單元10配1個晶體管17)類型的，如圖1所示。包括多個磁阻存儲器元件10的存儲器陣列20包括正交的位線15a、15b、15c和字線14a、14b、14c，位線和字線分別在磁阻存儲器元件10的上、下各自構圖成兩個金屬層，在這個實例中元件10是磁隧道結(MTJ)疊層。位線15a、15b、15c與存儲器元件10的難磁化軸平行，在易磁化軸方向產生磁場，而字線14a、14b、14c則在難磁化軸方向產生磁場。在某些設計中這種關系可以相反，即位線15可以產生難磁化軸磁場，而字線14可以產生易磁化軸磁場。對選中存儲器元件10s的寫入是通過同時施加電流脈沖通過相應位線15b和字線14a來完成的，這些位線和字線在這個存儲器元件10s處交叉。得到的場的方向與存儲器元件10s的自由層12的易磁化軸成45°角。在這個角度上，自由層12的切換場最弱，因而可以用最小的電流完成寫入。
MRAM元件的切換曲線可以用它的所謂星形曲線30、31來表示，如圖3所示。星形曲線30、31清楚地區(qū)分開了不同時間段的切換和非切換事件。星形曲線30是說明未被選中存儲器元件10的10年穩(wěn)定性的曲線，星形曲線31是說明未被選中存儲器元件10的10納秒穩(wěn)定性的曲線。換句話說，如果在星形曲線30、31內施加磁場，磁存儲器元件10不會切換，保持它們的狀態(tài)分別達10年、10納秒，而如果先前的狀態(tài)與當前狀態(tài)相反，那么超出星形線30、31的場就會切換磁存儲器元件10狀態(tài)。因此只有在兩個磁場分量都存在的情況下，存儲器元件10的位狀態(tài)才能夠切換。
如果字線14或位線15產生的磁場幅度相同，那么所得磁場的方向相對于選中存儲器元件10s的自由層12的易磁化軸成45°角。在這個角度上，自由層12的切換場是最弱的，如圖3中星形曲線30、31所示，因而可以用最小的電流完成寫入。
一方面，被選中位線15b和字線14a中的電流必須以這樣的方式選擇，從而使得在與易磁化軸成45°的角度上，總磁場足以超出所選存儲器元件10s的切換場，或者換句話說，所得場矢量32的末端在這個方向的星形曲線30、31之上或之外(見圖3)。另一方面，為了防止不希望的重寫，由所選位線15b產生的磁場的幅度必須明顯地小于位于同一位線15b上的任何一個存儲器元件10的易磁化軸方向EA上的切換場。同樣，為了防止不希望的重寫，由所選字線14a產生的磁場的幅度必須明顯地小于位于同一字線14a上的任何一個存儲器元件10的難磁化軸方向HA上的切換場。
圖3還示出了穩(wěn)定的寫入場窗口33，也就是說，如果先前的狀態(tài)是相反的，并且所得磁場矢量32落在這樣的寫入場窗口33之內，就可以切換所選存儲器元件10s的磁化狀態(tài)，其中的磁場矢量32是通過在所選位線15上施加第一個電流，在所選字線14上施加第二個電流得到的，但是所選字線14或位線15之一上未被選中的存儲器元件10不會切換狀態(tài)。
對于存儲器元件10的陣列20，給星形曲線30、31一個統(tǒng)計解釋。換句話說，可以賦予星形曲線30、31表示高斯形切換場分布的一個標準偏差參數σ。
切換場分布的一維表示如圖4所示。作為一個實例，在圖的左邊用曲線40示出邏輯‘0’值的分布，在圖的右邊用曲線41示出邏輯‘1’值的分布。兩個分布都有一個標準偏差參數σ，為簡單起見，假設對于兩個邏輯值標準偏差都相同。但是要注意，實際上，對于兩個分布來說標準偏差參數σ不必相同。
有意或無意地暴露在強磁場下，MRAM單元以及一般的磁存儲器都容易受損，這是它們的缺點。很高密度的MRAM陣列20對磁場特別敏感，主要是因為極小的磁阻存儲器元件10只需要相對弱的磁場進行讀/寫操作，這些讀/寫操作要依靠自由層12中磁矢量的切換或感測。這些磁矢量則容易因為這種外部磁場而受到影響，并改變它們的磁取向。從邏輯‘0’和‘1’值的切換場分布角度，圖4中的虛線42示出了保持位穩(wěn)定允許的最大場范圍。換句話說，如果最強外部場超過了這些限制，那么存儲器元件中保存的數據至少有一些會改變。
一種解決方案是將存儲器元件與外部磁場屏蔽開。但是，屏蔽也有其局限性，總是可以施加更強的磁場，這個磁場會在數據層附近產生外部磁場，這對于數據保持會有潛在的影響。
因此，希望檢測是否超過了某個磁場門限，因為在這種磁場下磁存儲器陣列中的數據完整性不能得到保證。
為了解決這個問題，可以設計專用磁場傳感器并集成在芯片上，這個傳感器能夠檢測任何磁場門限。但是，增加這個功能會導致額外的成本，例如由于在存儲器器件制造期間額外的掩模步驟。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種磁場傳感器，用于指示磁存儲器元件陣列中的數據保持，相對于該存儲器陣列的制造成本不會明顯引入額外成本。
上述目的是通過本發(fā)明的方法和器件實現(xiàn)的。
本發(fā)明提供一種磁阻存儲器元件陣列，該陣列提供至少一個數據保持指示器器件。該至少一個數據保持指示器器件包括第一磁性元件和第二磁性元件，每個磁性元件都有預置的磁化方向，所述第一和第二磁性元件的預置磁化方向互不相同。所述第一和第二磁性元件適合于將它們的磁化方向對準超過檢測門限值的外加磁場的磁力線。根據本發(fā)明，選擇所述至少一個數據保持指示器器件的參數，從而設置要檢測的所述外加磁場的所述檢測門限值。該至少一個數據保持指示器器件具有狀態(tài)或輸出來指示所述陣列的磁阻存儲器元件暴露在所述外加磁場中。
該參數可以包括所述器件的幾何形狀，即它可以包括所述第一和第二磁性元件的形狀、大小和縱橫比中的任何一個或者它們的組合。
所述第一和第二磁性元件可以包括多個MRAM單元。所述MRAM單元具有自由磁層，并且根據本發(fā)明所述MRAM單元可以有它們的自由磁層預置的相反磁化方向。
所述至少一個數據保持指示器器件可以在其數據保持必須得到指示的磁存儲器元件附近構建。多個數據保持指示器器件在空間上分布于所述陣列中的磁存儲器元件中間。
本發(fā)明還提供一種集成電路，其中包括本發(fā)明的磁存儲器元件陣列。所述集成電路還包括一個控制電路，在所述至少一個數據保持指示器器件的任何一個給出指示，說明所述陣列暴露在超過所述檢測門限值的外加磁場中的時候，用于產生差錯信號。
本發(fā)明還提供一種方法，用于指示磁存儲器元件陣列的數據保持。該方法包括當所述陣列暴露給超過預置磁場門限電壓的外加磁場時，改變磁性數據保持指示器器件的預置磁化方向。
通過以下詳細說明，同時結合附圖，本發(fā)明的這些和其它特征、功能和優(yōu)點將顯而易見，這些附圖用舉例的方法說明本發(fā)明的原理。這里的描述只是用作實例，并不是要限制本發(fā)明的范圍。以下引用的標號涉及附圖。


圖1A說明MRAM的寫入原理，圖1B說明MRAM的讀出原理。
圖2是已知的1T1MTJ MRAM設計的透視圖，這種設計包括多個存儲器元件和垂直的位線與字線。磁隧道結(MTJ)位于位線和字線的交叉區(qū)域。這些MTJ的底部電極用過孔連接到選擇晶體管上，讀取存儲器元件時使用它們。
圖3畫出了一條星形曲線，該曲線示出了在MRAM中進行穩(wěn)固寫操作，得到穩(wěn)定寫入場窗口的準則。
圖4說明磁阻存儲器元件陣列具有代表性標準偏差參數σ的磁場分布。
圖5是本發(fā)明一個實施例中數據保持指示器器件的側視示意圖。
圖6示出了將工藝變化考慮在內的MRAM元件的切換場。
在不同的圖中，相同的標號指的是相同或類似的元件。
具體實施例方式
現(xiàn)在結合具體實施例并參考特定的附圖來描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不受它們的限制，而是僅僅由權利要求來限定。這些附圖僅僅是示意性的，而不是限制性的。在這些附圖中，為了進行說明，可能把有些元件的尺寸放大了，沒有按比例畫出。在本說明書和權利要求中用到術語“包括”，它并不排除其它的元件或步驟。當涉及單數名詞時所用的不定冠詞或定冠詞，例如“一”或“一個”，“這個”，也包括多個該名詞，除非有其它具體說明。
另外，在本說明書和權利要求中的術語第一、第二、第三等，是用來區(qū)別相似元件的，而不是描述次序或時間順序。需要明白的是這樣使用的這些術語在適當的情況下是可以互換的，在這里描述的本發(fā)明的實施例可以按其它次序工作，不只是按這里的描述或圖示。
此外，在本說明書和權利要求中的術語頂部、底部、上面、下面等等，只是用于描述，未必是描述相對位置。需要明白的是這樣使用的這些術語在適當的情況下是可以互換的，這里描述的本發(fā)明的實施例可以按其它的方向工作，不只是按這里的描述或圖示。
根據本發(fā)明，提供有數據內容的磁存儲器元件陣列(圖中沒有畫出)，為這個陣列提供至少一個數據保持指示器器件50，該指示器器件50包括第一磁性元件51和第二磁性元件52。
磁阻存儲器元件陣列是以行、列按邏輯組織的。在這里的所有描述中，術語“水平”和“垂直”用來提供一種坐標系統(tǒng)，僅僅用于進行說明。它們不必但可以涉及器件的實際物理方向。另外，術語“行”和“列”是用來說明聯(lián)系在一起的陣列元件集合的。這種聯(lián)系可以是行和列的笛卡爾陣列形式；但是，本發(fā)明并不限于這種形式。如同本領域技術人員明白的一樣，列和行能夠很容易地相互交換，因此本說明中這些術語也能相互交換。也可以構造非笛卡爾陣列，并且它們包括在本發(fā)明的范圍以內。因此，術語“行”和“列”應當作廣義解釋。為了方便這種廣義解釋，采用了術語“按行、列邏輯組織”。這意味著存儲器元件集合是以一種拓撲線性交叉方式聯(lián)系在一起的；但是，其物理或拓撲布局不必如此。例如，行可以是圓，列可以是這些圓的半徑，在本發(fā)明中將這些圓和半徑描述為按行和列“進行邏輯組織”。同樣，各種線的具體名稱，例如位線和字線，或者行線和列線，都是為了方便說明以及涉及特定功能的通用名稱，具體選擇這些詞不管怎樣都不是為了限制本發(fā)明。應該明白，所有這些術語只是用于幫助更好地理解所描述的具體結構，而決不是要限制本發(fā)明。
根據本發(fā)明，數據保持指示器器件50包括兩個相反磁化或偏置的磁性元件51、52。根據本發(fā)明的第一個實施例，這些相反地二進制磁化或偏置的磁性元件51、52可以用離散的磁性元件形成，例如通過兩個具有相反或不同地極化的磁化方向的相關聯(lián)的MRAM單元的組合，如圖5所示。具有相反磁化方向意味著每個元件51、52都有至少兩個穩(wěn)定或準穩(wěn)定磁化方向，并且兩個元件51、52的布局使得一個元件51的磁化方向相對于另一個元件52是相反的。每個元件51、52的磁化方向都可以獨立設置，或者二個磁化方向可以一起設置。例如，相關聯(lián)的MRAM元件51、52的自由層12是相反地極化的，即如果第一個MRAM元件51的自由層12在一個方向上極化，那么第二個MRAM元件52的自由層12在相反的方向上極化。例如，第一個MRAM元件51可以有平行的固定層11和自由層12磁化方向，而第二個MRAM元件52可以有反平行的固定層11和自由層12磁化方向，如圖5所示。在所示實例中相關聯(lián)的MRAM元件51、52的固定層11具有相同的磁化方向，而自由層12具有不同的磁化方向?；蛘呦嚓P聯(lián)的MRAM元件51、52的固定層11也可以具有相對的磁化方向(沒有在圖中表示出來)。因為，根據本發(fā)明，相關聯(lián)的MRAM元件的自由層12也具有彼此相反的磁化方向，或者是第一個和第二個MRAM元件51、52的固定層11和自由層12可以是相反極化的，或者是第一個和第二個MRAM元件51、52的固定層11和自由層12可以具有平行極化。
可以將本發(fā)明的數據保持指示器器件50結合到MRAM元件陣列中去，鄰近其數據保持狀況必須得到指示的那些MRAM元件。
因為陣列中MRAM元件的小尺寸及其高密度，暴露在外部磁場中會引起這些元件的磁化方向發(fā)生改變。特別是MRAM元作的單元對方式的相對的磁化方向會受到干擾，并且產生鄰近MRAM元件的自由層12的磁化方向的平行取向。當出現(xiàn)這種情況時，這個平行取向可能是沿著外部磁場的方向。剩余狀態(tài)將是鄰近MRAM元件的自由層12的磁化方向的平行取向。按照本發(fā)明的實施例描述的所述數據保持指示器器件50是基于上述原理的。但是，本發(fā)明不局限于這個實施例。
當數據保持指示器器件50暴露在強到足夠觸發(fā)該器件的外部磁場中時，該數據保持指示器器件50的磁性元件51、52的磁化方向會全部改變，從而更多地指向外部施加的磁場的方向。磁性元件51、52的磁化方向的有效改變隨著外部磁場的增強而逐漸增大。根據本發(fā)明的第一個實施例，如果外加磁場超過了預置的門限值，數據保持指示器器件50的MRAM磁性元件51、52之一的自由層12的磁化方向會永久性地改變，為這個門限值制造了該數據保持指示器器件50的特殊磁性元件51、52。當外部磁場不再存在時，自由層12的磁化矢量會全部指向相同方向。這樣一來，數據保持指示器器件50的兩個MRAM元件51、52現(xiàn)在具有平行的磁化方向。
已知MRAM元件51、52的平行和反平行結構具有不同的電阻。根據自由層12相對于固定磁層11的相對極化是平行還是反平行，MRAM元件51、52的電阻是高或者低。因此，通過測量數據保持指示器器件50的兩個MRAM元件51、52的電阻差，能夠容易地確定它們的相互磁化方向。對于圖5所示的實施例，顯著的電阻差表明是正常狀況，即MRAM元件之一51為平行結構，另一個MRAM元件52為反平行結構，這意味著MRAM元件的陣列還沒有暴露在超過門限值的外部磁場中，為這個門限值而制造了MRAM元件51、52。數據保持指示器器件50的兩個MRAM元件51、52之間沒有明顯的電阻差表明兩個MRAM元件51、52具有相同極化的磁化方向，因此已經暴露在外部磁場中，外部磁場已經改變了數據保持指示器器件50的MRAM元件51、52中至少一個的自由層12中的磁化方向。或者，根據任何一個實施例(沒有在附圖中表示出來)，對于相反極化的固定磁層，在數據保持指示器器件的兩個MRAM單元之間沒有電阻差表明為正常狀況，在數據保持指示器器件的兩個MRAM單元之間有顯著的電阻差表明該數據保持指示器器件、從而至少部分存儲器陣列已經暴露在超過門限值的外部磁場中。
這樣，通過確定數據保持指示器器件50兩個磁性元件的極化方向，能夠檢測磁存儲器陣列是否已經處在太強外部磁場的影響下，這種影響會導致磁存儲器的數據保持不能得到保證。
其中有至少一個本發(fā)明的數據保持指示器器件50的IC，在工作期間能夠定期檢查數據保持指示器器件50的磁性元件51、52的極化方向，例如電阻。檢測到數據保持指示器器件50兩個磁性元件51、52的自由層12的相同極化方向時，例如根據其結構，通過測量兩個MRAM元件51、52的電阻差或相同電阻，并因此檢測到已經暴露在超過門限值的外部磁場的時候，根據具體應用的需要，該IC能夠刪除該陣列所有MRAM元件的數據，或者能夠重新設置自己或者阻止它的功能。
在本發(fā)明的另一個實施例中，將本發(fā)明的多個數據保持指示器器件50在空間上分布于陣列的MRAM元件之間。
本發(fā)明提供一種數據保持指示器器件50來檢測是否暴露在超過門限值的外部磁場中，能夠容易地將這個數據保持指示器器件50加入到嵌入式或獨立的MRAM陣列中。特別是在數據的完整性至關重要的應用里，例如SoC中嵌入式MRAM里操作系統(tǒng)的程序代碼，采用本發(fā)明的數據保持指示器器件50可能是很重要的。而且，它提供對無意識地暴露在外部磁場情況的檢測，例如來自永久磁鐵或者智能卡上磁條的寫入設備的磁場。本發(fā)明還能減少在MRAM IC中采用良好磁屏蔽的需要，因為現(xiàn)在能夠檢測無意識地暴露在強磁場里的情況，在正常使用時無意識地暴露在強磁場里是很少見的。
不能保證數據保持的所述門限磁場可以通過適當地選擇數據保持指示器器件50的磁性元件51、52的幾何形狀來加以精細調整。在理想情況下，每一個磁性元件51、52的星形曲線主要是通過兩個參數設置的形狀各向異性，以及從固定層11到自由層12的總耦合場。
對于小的磁隧道結，如同現(xiàn)在典型地使用的那些，能量平衡中決定性的各向異性項是通過形狀設置的，這一形狀導致一個各向異性場Hk，代表星形曲線的大小。在理想情況下，星形曲線會到達場Hk的基準易磁化軸和難磁化軸(圖3)。
實質上，形狀各向異性與器件的最小尺寸w(寬度)成反比，與縱橫比AR成正比(AR＝l/w，l＝長度)。磁性元件51、52的形狀本身也有一些影響，例如橢圓形或菱形元件。因為對于任何形狀都能實現(xiàn)這一點，因此在本說明中不明確考慮形狀。計算任意形狀的各向異性場屬于本領域技術人員的技能范圍。
對于橢圓形，各向異性場Hk為Hk＝4π(t·M)(ηy-ηx)/w，其中(t·M)是自由層12的厚度t與飽和磁化強度M的乘積，(ηy-ηx)是縱橫比AR＝l/w的單調上升函數，當l/w是1(圓形)時值為0，當l/w是∞時值為1。
固定層11和自由層12之間的耦合場可能導致星形曲線31沿著易磁化軸EA移動。理想情況下不存在這種移動，所以‘0’和‘1’的切換場相對于原點對稱(圖4)。該耦合場是兩個不同分量的和Néel耦合與磁雜散場耦合。Néel耦合不依賴于幾何形狀，因此是固定的。但是磁雜散場耦合由幾何形狀確定，因為磁雜散場耦合H～wα/l，其中α近似等于0.2。
為了用預置的門限磁場值設計數據保持指示器器件50的第一和第二磁性元件51、52，可以使用下面描述的方法。例如，希望檢測施加給存儲器陣列的超過門限值的任何磁場，該門限值低于陣列中MAM元件平均切換場6σ。對于高斯分布，這意味著在這個限制下109個元件中只有1個會切換。根據有效切換場分布，能夠計算出這個場，并且將它用作數據保持指示器器件50的目標門限場值。同樣對于數據保持指示器器件50，可以將切換門限中的統(tǒng)計分布考慮在內。
可以通過映射星形曲線來找到幾何形狀的適當選擇，這個幾何形狀主要由長度1和寬度w給定，星形曲線主要由磁性元件51、52在要求的門限曲線上的形狀各向異性確定。與此同時，對于MRAM陣列中存儲器單元的給定磁隧道結疊層，試圖通過由雜散場耦合消除Néel耦合來遵從星形曲線的對稱性。第一條準則是最重要的。后面一個可以放松并可以導致數據保持指示器器件50的星形曲線略微不對稱。只要這個不對稱性小于其它容許極限(margin)，比如工藝參數引起的容許極限，這樣做就是允許的。
只是為了說明的目的，給出下面的數字實例。在一個磁阻元件中，自由層12是厚度為5nm的NiFe層，固定層是人造反鐵磁性疊層(AAF)，包括IrMn/CoFe/Ru/CoFe，兩個CoFe層相應的厚度是3nm和2.65nm。如同所表明的，CoFe層中的一個固定到一個IrMn的天然反鐵磁層上。將磁阻存儲器陣列中元件的大小選擇為200×100nm2。
用改進的Stoner-Wohlfarth方法來描述具有N個磁層的所述磁性多層，其中每個層是由磁化角θi以及一些參數表示的，比如層厚度、飽和磁化、磁性晶體各向異性、大小和幾何形狀。相鄰鐵磁層之間的層間耦合可以用界面能Ji表示。系統(tǒng)總能量可以作為不同層的不同能量項之和計算出來，這些能量項有磁性晶體的各向異性EA、外部賽曼能量EH和去磁能量ES，再加上不同界面上的耦合能量。
ETot=Σi=1N(EA+EH+ES)+Σi=1N-1Ei]]>在靜態(tài)平衡計算中，在解決了N維優(yōu)化問題后，能夠發(fā)現(xiàn)一組不同層的磁化方向為(局部)最小量。該平衡配置由所述組N個耦合方程給出∂Etot∂θi=0,i=1,······,N]]>穩(wěn)定條件是矩陣M的所有特征值都應該是正的
Mij=∂2Etot∂θi∂θj]]>所述耦合的典型值如下IrMn-CoFe -0.25mJ/m2CoFe-CoFe -0.90mJ/m2CoFe-NiFe +0.01mJ/m2從計算中能夠找出理想情況的切換場，即對于σ＝0，或者因此在沒有任何工藝變化的情況下，可以將這個切換場標記為將工藝變化考慮在內的所謂‘平均’切換場。這個平均切換場在圖6中用曲線60表示。假設σ為某個值，能夠從實驗數據中導出這個值，這些實驗數據是用相同處理方法處理的多個存儲器元件的測量結果。在這個實例中，假設在星形曲線60中6σ準則如曲線61所示，因為可以從不同的幾何形狀上計算得到，該曲線對應于280×150nm2的器件的預期曲線。于是如果幾何形狀變成更大的元件和稍小的縱橫比，就能夠看到會發(fā)生什么?？紤]到工藝變化對數據保持指示器器件50本身可能的影響，可以選擇略微再放大一些，例如300×160nm2或者320×180nm2。要注意，縱橫比隨著檢測器件的尺寸而減小，以便保持這個檢測器件中的對稱性。
能夠引起陣列的磁存儲器元件中保存的那些位之一翻轉的任何外部磁場，都會引起數據保持指示器器件50的至少一個預置磁檢測元件51、52中發(fā)生切換，只要這兩個對準都是這組元件51、52的一部分。此外這些元件51、52會記住這個信息，因為它們能夠保持它們的存儲器狀態(tài)而不必施加任何外部電力。
應該明白，盡管在這里針對本發(fā)明的器件描述了優(yōu)選實施例、具體結構和配置以及材料，但是在不背離本發(fā)明的范圍和精神的基礎上，可以對形式和細節(jié)進行各種改變和修改。
權利要求
1.一種磁阻存儲器元件(10)陣列(20)，提供有至少一個數據保持指示器器件(50)，該器件(50)包括第一磁性元件(51)和第二磁性元件(52)，每個磁性元件都有預置的磁化方向，所述第一和第二磁性元件(51，52)的預置磁化方向互不相同，所述第一和第二磁性元件(51，52)適合于將它們的磁化方向對準超過檢測門限值的外加磁場的磁力線，其中選擇所述至少一個數據保持指示器器件(50)的參數，從而設置要檢測的所述外加磁場的所述檢測門限值，該至少一個數據保持指示器器件(50)具有指示所述陣列(20)的磁阻存儲器元件(10)暴露在所述外加磁場中的狀態(tài)或輸出。
2.如權利要求1所述的陣列(20)，其中所述參數包括所述第一和第二磁性元件(51，52)的形狀、大小和縱橫比中的任何一個或者它們的組合。
3.如權利要求1所述的陣列(20)，其中所述第一和第二磁性元件(51，52)包括多個MRAM單元。
4.如權利要求3所述的陣列(20)，所述多個MRAM單元具有自由磁層(12)，其中所述多個MRAM單元具有其自由磁層(12)的預置的相反磁化方向。
5.如權利要求1所述的陣列(20)，其中所述至少一個數據保持指示器器件(50)是在其數據保持必須得到指示的所述磁存儲器元件(10)附近構建的。
6.如權利要求1所述的陣列(20)，包括多個數據保持指示器器件(50)，在空間上分布于所述陣列(20)中的所述磁存儲器元件之間。
7.一種集成電路，包括如權利要求1所述的磁存儲器元件(10)陣列(20)。
8.如權利要求7所述的集成電路，還包括控制電路，在所述至少一個數據保持指示器器件(50)的任何一個給出所述陣列暴露在超過所述檢測門限值的外加磁場中的指示時，用于產生差錯信號。
9.一種用于指示磁存儲器元件(10)陣列(20)的數據保持的方法，該方法包括當所述陣列暴露給超過預置磁場門限電壓的外部磁場時，改變磁數據保持指示器器件的預置磁化方向。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁阻存儲器元件(10)陣列(20)，它配備了至少一個數據保持指示器器件(50)。該至少一個數據保持指示器器件(50)包括第一磁性元件(51)和第二磁性元件(52)，這兩個磁性元件中每個都有預置的磁化方向，所述第一和第二磁性元件(51，52)的預置磁化方向互不相同。所述第一和第二磁性元件(51，52)適合于將它們的磁化方向對準超過檢測門限值的外加磁場的磁力線。根據本發(fā)明，選擇至少一個數據保持指示器器件(50)中的參數，從而設置要檢測的外加磁場的檢測門限值。該至少一個數據保持指示器器件(50)具有指示所述陣列(20)的磁阻存儲器元件(10)暴露在所述外加磁場中的狀態(tài)或輸出。
文檔編號G11C11/15GK1886804SQ200480034616
公開日2006年12月27日 申請日期2004年11月9日 優(yōu)先權日2003年11月24日
發(fā)明者漢斯·M·B·貝維 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司