[发明专利]包括多比特单元的磁性随机存取存储装置

说明书

技术领域

本发明总体上涉及磁性随机存取存储(“MRAM)装置。具体来讲，本发明涉及包括多比特单元的MRAM装置。

背景技术

考虑到在环境温度下具有强磁阻的磁隧道结的发现，MRAM装置已经变为越来越令人感兴趣的主题。MRAM装置提供了多种好处，诸如快速读写、非易失性以及对电离辐射不敏感。从而，MRAM装置逐渐地代替基于电容器电荷状态的存储装置，诸如动态随机存取存储装置和闪速存储装置。

在常规的实现方式中，MRAM装置包括MRAM单元阵列，每个MRAM单元被实现为用于存储二进制数据值的单比特单元。特别地，每个MRAM单元包括一对由薄绝缘层隔离的铁磁层形成的磁隧道结。一个铁磁层，所谓的参考层，特征在于具有固定方向的磁化，而另一铁磁层，所谓的存储层，特征在于具有相对于装置写入时的方向改变了方向的磁化，诸如通过施加磁场。当参考层和存储层的各自磁化反向平行时，磁隧道结的电阻为高，即具有对应于高逻辑状态“1”的电阻值R_max。另一方面，当各自的磁化平行时，磁隧道结的电阻为低，即具有对应于低逻辑状态“0”的电阻值R_min。通过将MRAM单元的电阻值与参考电阻值R_ref相比较来读取该MRAM单元的逻辑状态，所述参考电阻值R_ref表示高逻辑状态“1”的电阻值和低逻辑状态“0”得电阻值之间的中间电阻值。

虽然常规的MRAM装置提供了许多好处，不过，希望增大存储密度，超出单比特单元阵列提供的存储密度。特别地，希望在平衡与功率消耗和制造成本相关的其它考虑因素的同时增大存储密度。

在此背景下需要开发本文描述的MRAM装置及相关方法。

发明内容

本发明的一个方面涉及存储装置。在一个实施例中，存储装置包括至少一个MRAM单元，该MRAM单元包括(1)具有存储磁化方向的存储层，(2)具有感测磁化方向的感测层，和(3)在所述存储层和所述感测层之间处置的间隔层。存储装置还包括磁性耦合到MRAM单元并且被配置为沿着磁场轴感生磁场的磁力线。存储层和感测层中的至少一个具有磁各向异性轴，并且所述磁各向异性轴相对于磁场轴倾斜。在写操作期间，存储磁化方向可在m个方向之间切换以便存储对应于m个逻辑状态之一的数据，其中m>2，m个方向中的至少一个相对于磁各向异性轴对准，并且m个方向中的至少另一个相对于磁场轴对准。在读取操作期间，相对于存储磁化方向改变感测磁化方向以便确定存储层存储的数据。

本发明的另一方面涉及一种操作存储装置的方法。在一个实施例中，所述方法包括：(1)提供具有存储磁化方向、感测磁化方向和磁各向异性轴的MRAM单元；并且(2)在读取操作期间，(a)沿着磁场轴感生读取磁场，以致相对于所述磁场轴对准所述感测磁化方向，其中所述磁各向异性轴相对于所述磁场轴以角度θ倾斜，其中0°<θ<90°；(b)确定所述MRAM单元的第一电阻值，所述第一电阻值表示当相对于所述磁场轴对准所述感测磁化方向时所述存储磁化方向和所述感测磁化方向之间的对准度；(c)去活(deactivating)所述读取磁场，以致相对于所述磁各向异性轴对准所述感测磁化方向；并且(d)确定所述MRAM单元的第二电阻值，所述第二电阻值表示当相对于所述磁各向异性轴对准所述感测磁化方向时所述存储磁化方向和所述感测磁化方向之间的对准度。

还预期本发明的其它方面和实施例。上文概要和下文详细描述并不意在将本发明限制为任何特定的实施例，而仅在于描述本发明的一些实施例。

附图说明

为了更好地理解本发明一些实施例的本质和目的，应当参考结合附图进行以下详细描述。在附图中，同样的附图标记标示同样的特征，除非上下文另外清楚地指示。

图1图示了根据本发明实施例实现的MRAM装置。

图2示出了包括在根据本发明实施例在图1的MRAM装置的MRAM单元。

图3A和图3B是根据本发明实施例的磁隧道结的两个实现方式的剖面图。

图4A到图4D图示了根据本发明实施例的图3A的实现方式的写入操作序列。

图5A到图5D图示了根据本发明实施例图3A的实现方式的读取周期序列。

图6图示了根据本发明另一实施例实现的MRAM装置。

具体实施方式

定义

以下定义适用于相对于本发明一些实施例描述的一些方面。这些定义同样可以在本文中扩展。