專利名稱：使用mram傳感器的磁存儲系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁存儲系統(tǒng)，包括信息層以及用于與信息層進(jìn)行 合作的傳感器，信息層包括組成比特位置陣列的磁比特圖案，比特位 置處的比特磁場表示邏輯值，比特磁場具有比特磁場強度和比特磁化 10 方向，傳感器包括磁電阻元件，該磁電阻元件包括具有固定磁性層和 自由磁性層的疊層，固定磁性層具有固定的磁化方向，自由磁性層具 有磁化軸，自由磁性層沿著該磁化軸保持自由的磁化方向。
本發(fā)明還涉及一種信息載體和一種讀取電路。
1背景技術(shù)：
使用磁電阻元件的若干種磁存儲系統(tǒng)是已知的。典型地，磁電阻 元件包括疊層，其中疊層中的電阻取決于磁性層的磁化方向。在MRAM 配置中，疊層包括自由磁性層，而自由磁性層包括兩個穩(wěn)定的磁化方 向，使得磁電阻元件能夠存儲邏輯值。
20 例如，W02004/032149中公開了只讀磁信息系統(tǒng)。在這個文獻(xiàn)中，
公開了一種存儲設(shè)備，包括信息載體部分和讀出部分。信息載體部分 包括用于與讀出部分進(jìn)行合作的信息面。讀出部分包括電磁傳感器元 件的二維陣列。通過依賴于磁電阻現(xiàn)象的電阻測量來完成讀出。在信 息載體的特定實施例中，表示比特位置處的比特的電磁材料由硬磁材
25 料組成。硬磁材料的圖案永久地在外部磁場中磁化，創(chuàng)建了磁化后的 磁比特圖案，其中所有的磁比特大致上都具有相同的預(yù)定磁場方向和 磁場強度。在傳感器的特定實施例中，傳感器包括兩個具有不同的翻 轉(zhuǎn)場強度的鐵磁層。在該傳感器隨后產(chǎn)生兩個磁場脈沖時，所述兩個 磁場脈沖具有兩個鐵磁層的翻轉(zhuǎn)場強度之間的場強度并包括相反的磁
30場方向，通過測量傳感器的電阻而完成傳感器的讀出。具有較高翻轉(zhuǎn)
場(switching field)的層(通常表示為固定磁性層)將會保持未改
變的狀態(tài)，而具有較低翻轉(zhuǎn)場的層(通常表示為自由磁性層)的磁化 將由第一磁場脈沖設(shè)置在限定的方向上，然后被第二磁場脈沖翻轉(zhuǎn)。 當(dāng)磁比特的磁場出現(xiàn)在特定傳感器上時，特定傳感器的自由磁性層的
5 磁化方向不能在第二磁場脈沖期間被翻轉(zhuǎn)，因而與不存在磁比特的傳 感器相比具有翻轉(zhuǎn)的磁化方向。自由磁性層的兩個相反的磁化方向產(chǎn) 生兩個檢測的電阻值第一磁化上的第一電阻值以及翻轉(zhuǎn)磁化方向上
的第二電阻值(與第一電阻值不同)。當(dāng)測量每在比特位置中的一個處 的傳感器元件的電阻時，可以確定每一個比特位置的邏輯值。
10 在已知的磁ROM存儲系統(tǒng)中，傳感器中的自由磁性層典型地包括兩 個穩(wěn)定的磁化方向，從而在傳感器中產(chǎn)生兩個電阻值。在測量開始時， 自由磁性層可以包括兩個穩(wěn)定磁化方向中的任意方向。為了能夠進(jìn)行 傳感器的讀出，必須通過在讀取比特位置的邏輯值之前產(chǎn)生磁場來設(shè) 置自由層的磁化方向。
1
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種存儲系統(tǒng)，其中不需對自由磁性層進(jìn)行 設(shè)置就可讀取磁比特。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該目的由開頭段落中定義的一種磁存儲
20 系統(tǒng)來實現(xiàn)，其中，通過提供由大致與磁化軸平行的自由磁化方向所 引起的磁電阻元件的第一電阻值，在比特位置中的一個處的第一比特 磁場表示第一邏輯值，并通過提供由與磁化軸呈某個角度的自由磁化 方向所引起的磁電阻元件的第二電阻值，在比特位置中的一個處的第 二比特磁場表示第二邏輯值。
25 根據(jù)本發(fā)明的措施的效果是，第二比特磁場使自由磁化方向發(fā)生
轉(zhuǎn)動，這導(dǎo)致了自由磁化方向與磁化軸之間的角度。轉(zhuǎn)動后的自由磁 化方向與固定磁性層的固定磁化方向的結(jié)合提供了磁電阻元件中的第 二電阻值，第二電阻值表示第二邏輯值。在包括第一比特磁場的比特 位置，自由磁化方向與自由磁性層的磁化軸大致平行。與磁化軸平行
30 的自由磁化方向與固定磁性層的固定磁化方向的結(jié)合提供了磁電阻元
件中的第一電阻值，第一電阻值表示第一邏輯值。由于自由磁性層包 括與磁化軸平行的兩個穩(wěn)定磁化方向，所以第一邏輯值從這兩個穩(wěn)定 磁化方向中的任意方向中產(chǎn)生。自由磁化方向被第二比特磁場轉(zhuǎn)動， 使得能夠在具有第一比特磁場的比特位置與具有第二比特磁場的比特 5 位置之間進(jìn)行區(qū)分。提供第二電阻值的磁化方向不是自由磁性層的兩 個穩(wěn)定磁化方向之一，因而它與第一電阻值不同，從而省略了在讀出 之前對自由磁性層的磁化方向進(jìn)行設(shè)置的需求。
在本系統(tǒng)的實施例中，第一比特磁場具有大致為零的第一磁場強 度。在比特磁場大致為零的比特位置，磁電阻元件的自由磁性層將具
10 有兩個穩(wěn)定磁化方向中的任意方向，因而是未定義的。向傳感器提供 第二比特磁場的比特位置使自由磁化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，這導(dǎo)致了磁電阻 元件中的電阻值，而該電阻值可以從自由磁化方向的兩個穩(wěn)定磁化方 向中的任意一個方向得以辨別。信息層大致包括磁比特圖案，其中是 第二比特磁場的存在或不存在決定了比特位置的邏輯值。由于信息層
15 上存在的比特磁場都具有相同的磁化方向，所以信息層的制造相對容 易。
在本發(fā)明的實施例中，第二比特磁場具有與磁化軸大致垂直的第 二磁化方向。自由磁化方向由第二比特磁場轉(zhuǎn)動為與第二比特磁場大 致平行，因而與磁化軸大致垂直。在優(yōu)選實施例中，固定磁化方向與
20磁化軸垂直。這個實施例的益處是，自由磁性層的兩個穩(wěn)定磁化方向
均與固定磁化方向垂直，因而均在磁電阻元件中大致上提供了相同的 電阻值。由于自由磁性層的兩個穩(wěn)定磁化方向由單一的電阻值來表示， 所以可以例如使用單一的參考值來標(biāo)識在比特位置中的一個處存在第 一還是第二比特磁場。
25 在系統(tǒng)的實施例中，通過提供由于自由磁化方向與磁化軸具有另
一個角度而引起的磁電阻元件的另一個電阻值，在比特位置中的一個 處的另一個比特磁場表示另一個邏輯值，其中所述另一個角度與導(dǎo)致 第二邏輯值的角度不同。所述另一個比特磁場提供了與第一邏輯值和 第二邏輯值不同的另一個邏輯值。這個實施例的益處是，存儲在磁比
30特圖案中的信息表示與二元系統(tǒng)大不相同的三元系統(tǒng)。這個實施例中
所示的三元系統(tǒng)包括三個邏輯值第一邏輯值、第二邏輯值和另一個 邏輯值。
在系統(tǒng)的實施例中，系統(tǒng)包括具有信息層的信息載體，所述信息 層包括組成比特位置陣列的磁比特圖案，比特位置處的比特磁場表示 5 邏輯值，比特磁場具有比特磁場強度和比特磁化方向，其中，通過提 供由大致與磁化軸平行的自由磁化方向所引起的磁電阻元件的第一電 阻值，在比特位置中的一個處的第一比特磁場表示第一邏輯值，通過 提供由與磁化軸呈某個角度的自由磁化方向所引起的磁電阻元件的第 二電阻值，在比特位置中的一個處的第二比特磁場表示第二邏輯值，
10 通過提供由與磁化軸呈另一個角度的自由磁化方向所引起的磁電阻元 件的另一個電阻值，在比特位置中的一個處的另一個比特磁場表示另 一個邏輯值，所述另一個角度與導(dǎo)致第二邏輯值的角度不同。這個實 施例中的信息載體具有表示與二元系統(tǒng)大不相同的三元系統(tǒng)的磁比特 圖案。三元系統(tǒng)包括三個邏輯值第一邏輯值、第二邏輯值和另一個
15 邏輯值。
在系統(tǒng)的實施例中，系統(tǒng)包括用于從包括磁電阻元件的傳感器中 讀取邏輯值的讀取電路，其中，讀取電路包括用于根據(jù)參考磁電阻元 件而提供至少兩個參考值的參考電路，而且通過把磁電阻元件的電阻 值與至少兩個參考值進(jìn)行比較而讀取邏輯值。這個實施例的益處是，
20 能夠在未定義自由磁化方向且可能具有兩個穩(wěn)定磁化方向中的任意方 向的系統(tǒng)中進(jìn)行區(qū)分。通過把電阻值與至少兩個參考值進(jìn)行比較，可 以把由第二比特磁場所導(dǎo)致的電阻值和與磁化軸平行的自由磁化方向 的兩個可能的電阻值相區(qū)分。這個實施例的另一個益處是，能夠?qū)?如三元系統(tǒng)進(jìn)行讀取，其中在三元系統(tǒng)中必須區(qū)分三個電阻值。
25 在系統(tǒng)的實施例中，固定磁化方向與自由磁性層的磁化軸大致平
行。當(dāng)自由磁化方向指向與固定磁化方向相同的方向時，所檢測的電 阻值典型地是最小電阻值，例如表示邏輯值"0"。當(dāng)自由磁化方向指 向與固定磁化方向相反的方向時，所檢測的電阻值典型地是最大電阻 值，例如表示邏輯值"1"。比特磁場轉(zhuǎn)動自由磁化方向離開自由磁性
30層的磁化軸，這導(dǎo)致所檢測的電阻值是最大電阻值和最小電阻值之間
的中間電阻值，例如表示邏輯值"1/2"。
在系統(tǒng)的實施例中，固定磁化方向與自由磁性層的磁化軸大致垂 直。自由磁性層的兩個可能的穩(wěn)定磁化方向中的任意方向大致提供了 磁電阻元件中相同的電阻值，該電阻值大致處于最大電阻值和最小電 5 阻值之間的中部。例如，第二比特磁場轉(zhuǎn)動自由磁化方平行于固定磁 化方向，例如表示邏輯值"0"，或轉(zhuǎn)動自由磁化層發(fā)生與固定磁化方 向相反，例如表示邏輯值"l"。這個實施例的益處是，自由層的兩個 穩(wěn)定的磁化方向大致提供了單一的電阻值，因而單一的參考值足以在 第一比特磁場的存在和第二比特磁場的存在之間進(jìn)行區(qū)分。
10 在系統(tǒng)的實施例中，系統(tǒng)包括參考電路，參考電路根據(jù)參考磁電
阻元件而提供至少一個參考值，用于對第一電阻值和第二電阻值進(jìn)行 區(qū)分。例如，磁電阻元件中的電阻值可能受到溫度變化和/或老化效應(yīng) 的影響。由于參考值基于參考磁電阻元件，所以對磁電阻元件產(chǎn)生影 響的溫度變化和老化效應(yīng)也會以類似的方式影響參考值，這能夠例如
15 針對溫度變化和/或老化效應(yīng)而對參考值自動補償。
在系統(tǒng)的實施例中，參考電路根據(jù)參考磁電阻元件而提供至少第 二參考值，用于對兩個參考值之間設(shè)置的電阻值進(jìn)行區(qū)分。這個實施 例的益處是，能夠在檢測到的電阻包括三個不同電阻值的系統(tǒng)中進(jìn)行 讀出。三個不同電阻值可以從各自具有電阻值的三個比特磁場中產(chǎn)生，
20或從兩個比特磁場中產(chǎn)生，其中的一個比特磁場包括導(dǎo)致兩個電阻值 的兩個穩(wěn)定的磁化方向。
在系統(tǒng)的實施例中，在比特位置中的一個處的比特磁場由所述在 比特位置中的一個處磁化的磁性材料的存在或不存在而提供。磁性材 料可以包括第一比特磁場、第二比特磁場或另一個磁場。例如，第一
25 磁場大致為零的實施例表示不存在磁性材料。
在系統(tǒng)的實施例中，傳感器包括磁電阻元件的二維陣列。這個實 施例的益處是，例如可以在相同時間對磁電阻元件陣列進(jìn)行讀取，這 增加了數(shù)據(jù)交換率。這個實施例的另一個益處是，不需要移動傳感器 就可以讀取與磁電阻元件的二維陣列相對應(yīng)的比特陣列。例如，這減
30小了系統(tǒng)對沖擊(shocks)的靈敏度。


參考下文描述的實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將會變得明顯 并得以說明。 5 附圖中
圖la-b示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例，該實施例具有一維磁比特陣
列，
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例，該實施例具有二維磁比特陣列， 圖3示出了檢測到的電阻與比特磁場強度的關(guān)系，其中比特磁場
10 與自由磁性層的磁化軸垂直，
圖4a-c示出了比特磁場的磁化方向以及磁電阻元件中的磁化方 向的優(yōu)選配置的概述，以及
圖5a-c示出了根據(jù)本發(fā)明的參考電路的一些實施例。
1具體實施例方式
圖l示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例l,實施例l具有磁比特4a、 4b、 4c、 4d的一維陣列。
圖la所示實施例具有磁比特4a、 4b的一維陣列，其中每一個比特 磁場3a、 3b具有比特磁化方向5a、 5b。磁比特4a、 4b位于作為信息載
20 體18的一部分的信息層13中。信息載體18可以是系統(tǒng)1中的集成信息載 體18，或可以是可去除的信息載體18。圖la還示出了傳感器2的簡化表 示，所示傳感器2在三個不同位置Spl、 Sp2、 Sp3上與信息層13進(jìn)行交 互。傳感器2包括具有疊層的磁電阻元件6。疊層包括固定磁性層7和自 由磁性層8。固定磁性層7具有被考慮為不受附近磁場影響的固定的磁
25 化方向9。自由磁性層8具有磁化軸10，其中自由磁性層8沿著磁化軸10 保持兩個穩(wěn)定的磁化方向llc。在圖l所示的實施例中，自由磁性層8 的磁化軸10與固定的磁化方向9垂直。
在第一傳感器位置Spl，傳感器2與包括比特磁場3a的磁比特4a進(jìn) 行交互，比特磁場3a也被表示為第二比特磁場3a。第二比特磁場3a具
30有第二比特磁化方向5a，其中第二比特磁化方向5a與磁化軸10垂直并
與固定磁化方向9平行。第二比特磁化方向5a的存在使自由磁化方向從 一個穩(wěn)定的磁化方向llc轉(zhuǎn)動，從而與磁化軸10形成角度12a。當(dāng)?shù)诙?比特磁場3a的磁場強度足夠時，第二比特磁場3a使自由磁化方向llc 轉(zhuǎn)動至磁化方向lla，在此處，轉(zhuǎn)動后的自由磁化方向lla與磁化軸10 5 之間的角度12a大致為90度。在第一傳感器位置Spl處的傳感器2中，自 由磁化方向lla與固定磁化方向9的指向相同，這導(dǎo)致了磁電阻元件6 中的低電阻值Rmin。
在第二傳感器位置Sp2,傳感器2與包括比特磁場3b的磁比特4b進(jìn) 行交互，比特磁場3b也被表示為第一比特磁場3b。第一比特磁場3b具
10 有第一比特磁化方向5b，其中第一比特磁化方向5b與磁化軸10平行并 且(在這個實施例中)與固定磁化方向9垂直。當(dāng)?shù)谝槐忍卮艌鰪姸茸?夠時，第一比特磁場3b迫使自由磁化方向llc進(jìn)入穩(wěn)定位置llb。在第 二傳感器位置Sp2處的傳感器2中，自由磁化方向llb與固定磁化方向9 垂直，這導(dǎo)致了磁電阻元件6中的中間電阻值Rmid。
15 在第三傳感器位置Sp3，傳感器2不與來自信息層13的磁比特進(jìn)行
交互。自由磁化方向llc可以是與磁化軸10平行的兩個穩(wěn)定磁化方向中 的任意方向。在兩個穩(wěn)定磁化方向中的每一個中，自由磁化方向llc 將會與固定磁化方向9垂直。與第二傳感器位置Sp2處的傳感器2相同， 磁電阻元件6中的電阻值是中間電阻值Rmi d 。
20 傳感器2向包括參考電路14的讀取電路19提供檢測到的電阻值 Rmin、 Rmid。參考電路14從包括參考磁電阻元件的參考發(fā)生器15、 16 中提供兩個參考值Refl、 Ref2。讀取電路還包括比較器電路17，比較 器電路17把檢測到的電阻值Rmin、 Rmid與參考值ref 1 、 Ref2中的至少 一個進(jìn)行比較。比較器電路17將邏輯值L0、 Ll/2分配給由于信息層13
25中的磁比特4a、 4b通過磁電阻元件6提供的電阻值。
圖lb示出了第一比特磁場3c的磁場強度大致為零的實施例。此外， 圖lb在與第二比特磁場3b相鄰的地方還包括另一個比特磁場3d，其中 另一個比特磁場3d的磁化方向5d與第二磁化方向5a相反。
在第一傳感器位置Spl，傳感器2包括低電阻值Rmin，如圖la所示。
30 在第四傳感器位置Sp4，傳感器2與不存在磁比特的比特位置4c進(jìn)
行交互。這里可能會存在某些殘余或雜散磁場3c (其磁化方向在原理 上可以是任意方向)，但是比特位置4c處的磁場不足以改變傳感器2的 磁化方向llc。第四傳感器位置Sp4處的傳感器的自由磁化方向llc是不 確定的，而且可以是自由磁性層8的兩個穩(wěn)定磁化方向中的任意一種。 5 由于自由磁性層8的兩個穩(wěn)定磁化方向llc都與磁化軸10垂直，所以磁 電阻元件6中的電阻值總為中間電阻值Rmid 。
在第五傳感器位置Sp5，傳感器2與包括另一個比特磁場3d的磁比 特4d進(jìn)行交互，比特磁場3d具有另一個比特磁化方向5d。該另一個比 特磁化方向5d與磁化軸10垂直，并指向與第二特磁化方向5a相反的方
10 向。該另一個比特磁場3d的存在使自由磁化方向從一個穩(wěn)定磁化方向 llc轉(zhuǎn)動，從而與磁化軸10形成角度12d。當(dāng)比特磁場3d的磁場強度不 足時，該另一個比特磁場3d轉(zhuǎn)動自由磁化方向llc至磁化方向lld，在 此處，轉(zhuǎn)動后的自由磁化方向lld與磁化軸10之間的角度12d大致為90 度。在第五傳感器位置Sp5上的傳感器2中，自由磁化方向lld指向與固
15定磁化方向9相反的方向，這導(dǎo)致了磁電阻元件6中的高電阻值Rmax。 傳感器2在傳感器位置Spl、 Sp4、 Sp5中的每一個處向讀取電路19 提供檢測到的電阻值Rmax、 Rmid、 Rmin，而比較器電路17將邏輯值L0、 Ll/2、 Ll分配給由于磁比特4a、 4d或由于信息層13的比特位置4c通過 磁電阻元件6提供的電阻值。
20 與圖la所示系統(tǒng)相反，其中大致描述了具有兩個邏輯值LO、 L1/2
的二元系統(tǒng)，圖lb所示系統(tǒng)描述了具有三個邏輯值LO、 Ll/2、 Ll的三 元系統(tǒng)。為了能夠在三個邏輯值LO、 Ll/2、 Ll之間進(jìn)行辨別，讀取電 路19必須具有如圖3所示的兩個參考值Refl、 Ref2。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例20，實施例20具有包括磁比特24a、
25 24c、 24d的二維圖案的信息載體23。同樣在這個實施例中，信息載體 23可以是系統(tǒng)20中的集成信息載體23，或可以是可去除的信息載體23。 每一個磁比特24a、 24c、 24d提供了具有第二比特磁化方向25a、 25d 的第二比特磁場(未示出)。第一比特磁場的磁場強度大致為零，由不 存在磁比特的比特位置24c表示。圖2所示的系統(tǒng)20還包括傳感器22，
30傳感器22包括磁電阻元件26的二維陣列。每一個磁電阻元件26包括具
有固定磁性層7和自由磁性層8的疊層，與圖la和lb中的磁電阻元件6 相同。圖la和lb所示的磁電阻元件6與圖2所示的磁電阻元件26之間的 不同在于，磁電阻元件26中的自由磁性層8的磁化軸10與固定磁化方向 9平行。
5 當(dāng)磁電阻元件26處存在具有第二比特磁化方向25a的第二比特磁 場時，自由磁化方向從兩個穩(wěn)定磁化方向21b、 21c中的一個方向轉(zhuǎn)動 至磁化方向21a，磁化方向21a大致上指向與第二比特磁化方向25a相同 的方向。轉(zhuǎn)動后的自由磁化方向21a被設(shè)置為與固定磁化方向9垂直， 這導(dǎo)致了磁電阻元件6中的中間電阻值Rmid。
10 在磁電阻元件26上不存在磁比特的比特位置24c處，自由磁化方向
可以是兩個穩(wěn)定磁化方向21b、 21c中的任意方向。當(dāng)自由磁化方向21b 指向與固定磁化方向9相同的方向時，磁電阻元件26具有低電阻值 Rmin。當(dāng)自由磁化方向21c指向與固定磁化方向9相反的方向時，磁電 阻元件26具有高電阻值Rmax。比特位置24c處的自由磁化方向21b、 21c
15可以隨機地為兩個穩(wěn)定磁化方向21b、 21c中的任意方向，因而是未定 義的。
在圖2所示的實施例20中，同樣存在包括參考電路14的讀取電路 19。參考電路14根據(jù)參考磁電阻元件而提供兩個參考值Refl、 Ref2。 比較器電路17將邏輯值L0、Ll/2分配給由于磁比特24a或由于信息層13
20 的比特位置24c通過磁電阻元件26提供的電阻值。
為了能夠把邏輯值LO、 Ll/2分配給檢測到的電阻值Rmax、 Rmid、 Rmin，參考電路14需要兩個參考值Refl、 Ref2。由于比特位置24c處的 自由磁化方向可以隨機地為兩個穩(wěn)定磁化方向21b、21c(為Rmin、Rmax) 中的任意方向，所以比較器電路17必須向其分配邏輯值L0的電阻值是
25低電阻值Rmin和高電阻值Rmax。比較器17必須向其分配邏輯值Ll/2的 電阻值是中間電阻值Rmid。例如，當(dāng)兩個參考值Refl、 Ref2是電阻值 時，第一參考電阻值Refl必須在低電阻值Rmin與中間電阻值Rmid之間， 而第二參考電阻值Ref2必須在高電阻值Rmax與中間電阻值Rmid之間。 這在圖3中更為詳細(xì)地示出。
30 信息載體22可以包括具有另一個比特磁化方向25d的另一個磁比
特24d。該另一個比特磁化方向25d與磁化軸10垂直，并指向與第二比 特磁化方向25a相反的方向。該另一個比特磁場的存在將自由磁化方向 從穩(wěn)定磁化方向21b、 21c之一轉(zhuǎn)動至自由磁化方向21d。自由磁化方向 21d被設(shè)置為與固定磁化方向9垂直，這導(dǎo)致了中間電阻值Rinid，這個 5 中間電阻值Rmid與從自由磁化方向21b產(chǎn)生的中間電阻值Rmid相同。在 所述配置中，比較器將相同的邏輯值Ll/2分配給包括另一個磁化方向 25d的比特位置。為了能夠在第二磁比特24a與另一個磁比特24d之間進(jìn) 行區(qū)分，必須改變自由磁化方向的轉(zhuǎn)動，例如，使用不同的磁場強度 或改變第二比特磁化方向25a和另一個比特磁化方向25的取向。
10 圖3示出了磁電阻元件36中的第二電阻R與比特磁場強度Hbit的關(guān) 系，其中比特磁化方向25a與磁化軸10垂直。在圖3中示出了5個相同的 磁電阻元件36，每一個都包括具有固定磁性層7和自由磁性層8的疊層， 與圖la、 lb和2中所示的磁電阻元件6和26相同。圖3所示的磁電阻元件 包括層32，層32典型地是用于對固定磁性層7中的固定磁化方向9迸行
15 穩(wěn)定的穩(wěn)定層。例如，這個層包括與固定磁性層7中的材料磁性耦合的 反鐵磁材料。磁電阻元件36中的自由磁性層8的磁化軸10與固定磁化方 向9平行。磁電阻元件36b和36c表示自由磁性層8中的兩個穩(wěn)定的磁化 方向21b、 21c。磁電阻元件36b的自由磁化方向21b指向與固定磁化方 向9相同的方向，這導(dǎo)致了低電阻值Rmin。磁電阻元件36c的自由磁化
20方向21c指向與固定磁化方向9相反的方向，這導(dǎo)致了高電阻值Rmax。 當(dāng)比特磁場不存在或小于最小比特磁場Hbit^時，磁電阻元件36的自 由磁化方向可以是穩(wěn)定磁化方向21b、 21c中的任意方向。磁電阻元件 36a表示與磁化軸10垂直的、轉(zhuǎn)動后的自由磁化方向21a，這導(dǎo)致了中 間電阻值Rmid。轉(zhuǎn)動后的自由磁化方向32a從磁電阻元件36b與磁比特
25 24a之間的交互中產(chǎn)生，具有與最小比特磁場強度HbiUin接近的磁場強 度Hbit。轉(zhuǎn)動后的自由磁化方向32b從磁電阻元件36c與磁比特24a之間 的交互中產(chǎn)生，具有與最小比特磁場強度Hbit^接近的磁場強度Hbit。 圖中的線34a和34b表示磁電阻元件36中的電阻在磁比特24a的磁場強 度增大時的變化。由參考線33a和33b表示參考電阻值ReH、 Ref2。
30 該圖示出了磁電阻元件36中的電阻R在比特磁場強度增大時的變
化。此外，該圖示出了電阻變化必須與參考值Refl、 Ref2相交，從而 對例如最大電阻值Rmax與中間電阻值Rmid進(jìn)行辨別。為了能夠與參考 值Refl、 Ref2相交，最小比特磁場強度Hbit^必須出現(xiàn)在磁比特24a 處。當(dāng)不同的電阻值可以通過例如比較器電路17 (圖1和2)來辨別時， 5 比較器電路17 (圖1和2)可以將邏輯值L0、 Ll/2、 Ll分配給檢測到的 電阻值，如圖3所示。在所示的磁電阻元件36的配置中，最大電阻值Rmax 和最小電阻值Rmin表示相同的狀態(tài)，即不存在比特磁場或具有很弱的 比特磁場(例如雜散場)。然后，比較器電路17例如可以將例如L0的相 同的邏輯值分配給最大電阻值Rmax和最小電阻值Rmin二者。 10 圖4示出了現(xiàn)有技術(shù)中已知的以及圖1和2所示的磁化方向的優(yōu)選 配置的概述。
圖4a示出了現(xiàn)有技術(shù)中的配置，其中固定的磁化方向9和比特磁化 方向42都與磁電阻元件26的磁化軸10平行。磁電阻元件26與圖2中介紹 的磁電阻元件26相同。當(dāng)不存在磁比特時，磁電阻元件26的狀態(tài)是未
15 定義的，而是可以包括自由磁性層8的兩個穩(wěn)定磁化方向21c中的任意 方向。當(dāng)磁比特41出現(xiàn)在磁電阻元件26上時(比特磁場足夠強)，自由 磁化方向21a將指向與比特磁化方向42相同的方向。然而，由于磁電阻 元件26的狀態(tài)在不存在磁比特時是未定義的，電阻值Rmax、 Rmin不是 用于識別磁比特的存在的唯一參數(shù)。這表明在讀取之前需要對自由磁
20 性層8進(jìn)行設(shè)置。
圖4b示出了圖2中所使用的配置。同樣，當(dāng)不存在磁比特時，磁電 阻元件26的狀態(tài)是未定義的，而是可以包括自由磁性層8的兩個穩(wěn)定磁 化方向21c中的任意方向。然而，磁比特24a、 24d的比特磁化方向25a、 25d與磁化軸10垂直。當(dāng)磁比特的磁場強度足夠時，自由磁化方向21a、
2521d將由比特磁場轉(zhuǎn)動，這導(dǎo)致了中間電阻值Rmid。存在磁比特24a、 24d的電阻值Rmid可以與不存在磁比特的電阻值Rmax、 Rmin進(jìn)行辨別， 很明顯這省略了在讀取前對自由磁性層進(jìn)行設(shè)置的需求。
圖4c示出了圖l中所使用的配置，其中固定磁化方向9與磁化軸10 垂直。在這個實施例中，當(dāng)不存在磁比特時，磁電阻元件6的狀態(tài)被定
30義為中間電阻值Rmid。當(dāng)應(yīng)用具有與磁化軸10垂直的磁化方向的磁比特4a、4d時(具有足夠的磁場強度)，自由磁化方向lla、 lld將會轉(zhuǎn)動， 并指向與磁比特4a、 4d的比特磁化方向5a、 5d相同的方向。然后，在 轉(zhuǎn)動后的自由磁化方向lld指向與固定磁化方向9相反的方向時，電阻 值為最大電阻值Rmax，或者，在轉(zhuǎn)動后的自由磁化方向lla指向與固定 5磁化方向9相同的方向時，電阻值為最小電阻值Rmin。
這個實施例的優(yōu)點是，它能夠在具有相反磁化方向5a、 5d的兩個 磁比特4a、 4d之間進(jìn)行區(qū)分，實現(xiàn)了包括三個邏輯值的三元系統(tǒng)。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的參考發(fā)生器15、 16的一些實施例。圖5a 和5b示出了電壓參考發(fā)生器15、 16，每一個都包括4個參考磁電阻元件
10 MR1、 MR2、 MR3、 MR4。圖5c示出了電流比較器方案，其中電流鏡CM1、 CM2用于提供參考值Refl、 Ref2。
從US 6,445,612中可以獲知電壓參考發(fā)生器。在這個文獻(xiàn)中，使 用4個參考磁電阻元件來提供與圖5a和5b所示配置類似的配置中的 MRAM存儲單元的中點參考。
15 圖5a示出了4個參考磁電阻元件MRl、 MR2、 MR3、 MR4，其中與第二
參考磁電阻元件MR2串聯(lián)的第一參考磁電阻元件MR1，并聯(lián)連接到與第 四參考磁電阻元件MR4串聯(lián)的第三參考磁電阻元件MR3?？梢园凑杖缦?方式對參考磁電阻元件MR1、 MR2、 MR3、 MR4進(jìn)行編程它們或者表示 最大電阻值Rmax與中間電阻值Rmid之間的電阻值，或者表示最小電阻
20 值Rmin與中間電阻值Rmid之間的電阻值。例如，在一個參考磁電阻元 件表示最大電阻值Rmax而其余的參考磁電阻元件表示最小電阻值Rmin 的配置中，圖5a所示的完整電路表示接近于Rmin加上(Rmax-Rmin)的 25%的電阻值。例如，這個配置可以用作參考電路14中的第一參考值 Refl(參見圖l和2)。例如，在一個參考磁電阻元件表示最小電阻值Rmin
25而其余的參考磁電阻元件表示最大電阻值Rmax的配置中，圖5a所示的 完整電路表示接近于Rmin加上(Rmax-Rmin)的75%的電阻值。例如， 這個配置可以用作參考電路14中的第二參考值Ref2。
圖5b示出了4個參考磁電阻元件MRl、 MR2、 MR3、 MR4，其中與第三 參考磁電阻元件MR3并聯(lián)的第一參考磁電阻元件MR1串聯(lián)連接到與第四
30參考磁電阻元件MR4并聯(lián)的第二參考磁電阻元件MR2。同樣，在這個配
置中，可以按照如下方式對參考磁電阻元件MR1、 MR2、 MR3、 MR4進(jìn)行 編程它們或者表示最大電阻值Rmax與中間電阻值Riiiid之間的電阻值， 或者表示最小電阻值Rmin與中間電阻值R-mid之間的電阻值。例如，在 一個參考磁電阻元件表示最大電阻值Rmax而其余的參考磁電阻元件表 5示最小電阻值Rmin的配置中，圖5a所示的完整電路表示Rniin加上 (Rmax-Rmin)的20%的電阻值。同樣，這個配置例如可以用作參考電 路14中的第一參考值Refl (參見圖1和2)。例如，在一個參考磁電阻元 件表示最小電阻值Rmin而其余的參考磁電阻元件表示最大電阻值Rmax 的配置中，圖5a所示的完整電路表示Rmin和(Rmax-Rmin)的70%的電 10阻值。例如，這個配置可以用作參考電路14中的第二參考值Ref2。
圖5c示出了電流比較器方案。從US 6,621，729中可以獲知電流比 較器電路。在這個文獻(xiàn)中，所示電流比較器電路使用兩個參考磁電阻 元件來提供與圖5c所示配置類似的配置中的MRAM存儲單元的中點參 考。
15 圖5c所示參考電路14包括用于產(chǎn)生兩個參考值Refl、 Ref2的兩個
參考發(fā)生器15、 16。參考發(fā)生器15、 16均包括4個參考磁電阻元件的并 聯(lián)設(shè)置，共為MR1至MR8，而且包括具有電流比為4:1的電流鏡CM1、CM2， 用于把電流縮放回參考電流。這使得能夠在磁電阻元件的讀取電流與 參考電流之間進(jìn)行比較。可以按照如下方式對參考磁電阻元件MR1至
20 MR8進(jìn)行編程例如第一電流鏡CMl表示用于在最大電阻值Rmax與中間 電阻值Rmid之間進(jìn)行區(qū)分的電流，并且，例如第二電流鏡表示用于在 最小電阻值Rmin與中間電阻值Rmid之間進(jìn)行區(qū)分的電流。例如，這可 以在第一電流鏡CMl的一個參考磁電阻元件表現(xiàn)最大電阻值Rmax、而與 第一電流鏡CMl相連的余下的參考磁電阻元件表現(xiàn)最小電阻值Rmin，以
25 及在第二電流鏡CM2的一個參考磁電阻元件表現(xiàn)最小電阻值Rmin、而與 第二電流鏡CM2相連的余下的參考磁電阻元件表現(xiàn)最大電阻值Rmax時 實現(xiàn)。例如，這些配置可以用作參考電路14中的第一參考值Refl和第 二參考值Ref2。
應(yīng)當(dāng)注意，上述實施例示出而不是限制了本發(fā)明，而且在不背離 30所附權(quán)利要求的范圍的前提下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠設(shè)計出多個備
選實施例。
在權(quán)利要求中，位于括號之間的任何附圖標(biāo)記都不應(yīng)被解釋為限 制了該權(quán)利要求。動詞"包括"及其詞形變化的使用不排除在權(quán)利要 求中陳述的元件或步驟之外存在其他的元件或步驟。元件前的冠詞"一 5 個"不排除存在多個該元件。本發(fā)明可以通過包括若干不同元件的硬 件來實施，也可以通過適當(dāng)編程的計算機來實施。在列舉出若干裝置 的設(shè)備權(quán)利要求中，這些裝置中的若干裝置可以由同一項硬件來實現(xiàn)。 起碼的事實是，在互不相同的從屬權(quán)利要求中提出的特定措施并不表 明這些措施的組合不能產(chǎn)生有益效果。
權(quán)利要求
1.一種磁存儲系統(tǒng)(1、20)，包括信息層(13)以及用于和信息層(13)進(jìn)行合作的傳感器(2、22)，信息層(13)包括組成比特位置陣列的磁比特(4a、4b、4c、4d、24a、24c、24d)圖案，比特位置處的比特磁場(3a、3b、3c、3d)表示邏輯值(L0、L1/2、L1)，比特磁場(3a、3b、3c、3d)具有比特磁場強度和比特磁化方向(5a、5b、5d、25a、25d)，傳感器(2、22)包括磁電阻元件(6、26)，磁電阻元件(6、26)包括具有固定磁性層(7)和自由磁性層(8)的疊層，固定磁性層(7)具有固定磁化方向(9)，自由磁性層(8)具有磁化軸(1 0)，自由磁性層沿著該磁化軸保持自由磁化方向(11b、11c、21b、21c)，其中，通過提供由大致與磁化軸(10)平行的自由磁化方向(11c、11b、21b、21c)所引起的磁電阻元件(6、26)中的第一電阻值(Rmax、Rmid、Rmin)，在比特位置中的一個處的第一比特磁場(3b、3c)表示第一邏輯值(L0、L1/2、L1)，并通過提供由與磁化軸(10)呈某個角度(12a、12d、27)的自由磁化方向(11a、11d、21a、21d)所引起的磁電阻元件(6、26)中的第二電阻值(Rmax、Rmid、Rmin)，在比特位置中的一個處的第二比特磁場(3a、3d)表示第二邏輯值(L0、L1/2、L1)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(1、20)，其中，第一比特磁場(3c) 具有大致為零的第一磁場強度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)(1、 20)，其中，第二比特磁場 25 (3a、 3b)具有與磁化軸(10)大致垂直的第二磁化方向(5a、 5d、25a、 25d)。
4. 根據(jù)l利用1、 2或3所述的系統(tǒng)(1、 20)，其中，通過提供由 與磁化軸(10)呈另一個角度(12d)的自由磁化方向(lld、 21d)所 引起的磁電阻元件(6、 26)中的另一個電阻值(Rmax)，在比特位置 中的一個處的另一個比特磁場(3d)表示另一個邏輯值(Ll)，所述另 一個角度(12d)與導(dǎo)致第二邏輯值(L0)的角度(12a、 27)不同。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、 2、 3或4所述的系統(tǒng)(1、 20)，其中，固定磁 化方向(9)與自由磁性層(8)的磁化軸(10)大致平行。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、 2、 3或4所述的系統(tǒng)(1、 20)，其中，固定磁 5化方向(9)與自由磁性層(8)的磁化軸(10)大致垂直。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(1、 20)，其中，系統(tǒng)(1、 20)包 括參考電路(14)，參考電路(14)根據(jù)參考磁電阻元件而提供至少一 個參考值(Refl、 Ref2)，用于把第一電阻值(Rmax、 Rmid、 Rmin)與 第二電阻值(Rmax、 Rmid、 Rmin)進(jìn)行區(qū)分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)(1、 20)，其中，參考電路(14)根據(jù)參考磁電阻元件而提供至少第二參考值(Refl、 Ref2)，用于對設(shè) 置在兩個參考值(Refl、 Ref2)之間的電阻值進(jìn)行區(qū)分。
9. 根據(jù)上述任意一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)(1、 20)，其中，通過 在比特位置中的一個處存在或不存在磁化的磁性材料(4a、 4b、 4d、 24a、 24d)而提供所述在比特位置中的一個處的比特磁場(3a、 3b、 3c、 3d)。
10. 根據(jù)上述任意一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)(1、 20)，其中，傳 感器(22)包括磁電阻元件(26)的二維陣列。
11. 用于根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)(1、 20)中的信息載體(18、 2023)，該信息載體(18、 23)包括信息層(13)，而信息層(13)包括組成比特位置陣列的磁比特(4a、 4b、 4c、 4d、 24a、 24c、 24d)的圖 案，在比特位置處的比特磁場(3a、 3b、 3c、 3d)表示邏輯值(L0、 Ll/2、 Ll)，比特磁場(3a、 3b、 3c、 3d)具有比特磁場強度和比特磁 化方向(5a、 5b、 5d、 25a、 25d)，25 其中，通過提供由大致與磁化軸(10)平行的自由磁化方向(llc、llb、 21b、 21c)所引起的磁電阻元件(6、 26)中的第一電阻值(Rmax、 Rmid、 Rmin)，在比特位置中的一個處的第一比特磁場(3b、 3c)表示 第一邏輯值(L0、 Ll/2、 Ll)，并通過提供由與磁化軸(10)呈某個角 度(12a、 12d、 27)的自由磁化方向(lla、 lld、 21a、 21d)所引起30的磁電阻元件(6、 26)中的第二電阻值(Rmax、 Rmid、 Rmin)，在比特位置中的一個處的第二比特磁場(3a、 3d)表示第二邏輯值(L0、 Ll/2、 Ll)，通過提供由與磁化軸(10)呈另一個角度(12d)的自由 磁化方向(lld、 21d)所引起的磁電阻元件(6、 26)中的另一個電阻 值(Rmax)，在比特位置中的一個處的另一個比特磁場(3d)表示另一 5 個邏輯值(Ll)，所述另一個角度(12d)與導(dǎo)致第二邏輯值(L0)的 角度(12a、 27)不同。
12. 用于根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(1、 20)中的讀取電路(19)， 用于從包括磁電阻元件(6、 26)的傳感器(2、 22)讀取邏輯值，其 中，讀取電路(19)包括參考電路(14)，參考電路(14)用于根據(jù)參 考磁電阻元件而提供至少兩個參考值(Refl、 Ref2)，并且通過把磁電 阻元件(6、 26)中的電阻值(Rmax、 Rmid、 Rmin)與所述至少兩個參 考值(Refl、 Ref2)進(jìn)行比較而讀取邏輯值(L0、 Ll/2、 Ll)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的具有兩個參考值(Refl、 Ref2)的讀 取電路(19)，其中，參考電阻范圍被設(shè)置在所述兩個參考值(Refl、 Ref2)之間，并且當(dāng)電阻值位于參考電阻范圍內(nèi)時讀取一個邏輯值(L0、 L1/2、L1)，而當(dāng)電阻值位于參考電阻范圍之外時讀取第二邏輯值(LO、 Ll/2、 Ll)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁存儲系統(tǒng)(1、20)，包括信息層(13)以及用于和信息層(13)進(jìn)行合作的傳感器(2、22)。信息層(13)包括組成比特位置陣列的磁比特(4a、4b、4c、4d、24a、24c、24d)圖案。比特位置處的比特磁場(3a、3b、3c、3d)表示邏輯值(L0、L1/2、L1)。傳感器(2、22)包括磁電阻元件(6、26)，磁電阻元件(6、26)包括固定磁性層(7)和自由磁性層(8)。自由磁性層(8)具有磁化軸(10)，自由磁性層沿著該磁化軸保持自由磁化方向(11b、11c、21b、21c)。通過提供由大致與磁化軸(10)平行的自由磁化方向(11c、11b、21b、21c)所引起的磁電阻元件(6、26)中的第一電阻值(Rmax、Rmid、Rmin)，在比特位置中的一個處的第一比特磁場(3b、3c)表示第一邏輯值(L0、L1/2、L1)。通過提供由與磁化軸(10)呈某個角度(12a、12d、27)的自由磁化方向(11a、11d、21a、21d)所引起的磁電阻元件(6、26)中的第二電阻值(Rmax、Rmid、Rmin)，在比特位置中的一個處的第二比特磁場(3a、3d)表示第二邏輯值(L0、L1/2、L1)。提供第二電阻值(Rmax、Rmid、Rmin)的第二比特磁場(3a、3d)不是自由磁性層(8)的兩個穩(wěn)定的磁化方向之一，因而與第一電阻值(Rmax、Rmid、Rmin)不同。不再需要在讀出前對傳感器(2、22)的自由磁性層(8)的磁化方向進(jìn)行設(shè)置。
文檔編號G11C11/16GK101167136SQ200680002886
公開日2008年4月23日 申請日期2006年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月24日
發(fā)明者亞普·魯伊戈羅克, 弗里斯科·J·耶德瑪, 漢斯·M·B·波依 申請人:Nxp股份有限公司