改进写入裕度的具有成对不对称存储单元的磁存储阵列

依据国防预研计划署签订的合同No.MDA972-96-C-0030，美国政府拥有本发明的权利。

本发明一般涉及到磁性器件，更确切地说是涉及到由巨磁阻(GMR)或磁性隧道结(MTJ)磁性存储器单元阵列组成的非易失磁性随机存取存储器(MRAM)。

非易失磁性随机存取存储器(MRAM)是制作在字线与读出线交点上的存储器单元组成的阵列，各个存储器单元通常具有二个被导电层或绝缘层分开的磁性层。IBM的美国专利5343422描述了一种MRAM阵列，其中的存储器单元根据巨磁阻(GMR)原理工作，各个单元是包含二个被诸如铜的非磁性金属导电材料薄层分开的铁磁材料薄层构成的“旋转阀”。IBM的美国专利5640343描述了一种由磁性隧道结(MTJ)存储器单元组成的MRAM阵列，其中各个单元包含二个被诸如氧化铝之类的绝缘材料薄层分开的铁磁材料薄层。在GMR型的MRAM阵列中，各个存储器单元即存储元件中的二个铁磁层的易磁化轴的取向基本上沿存储元件的长度方向，且基本上平行于外加读出电流的方向。在MTJ型的MRAM阵列中，读出电流垂直于磁性层的平面。一个铁磁层的磁矩或磁化方向被固定为基本上沿存储元件的长度方向，而另一层的磁化方向在基本上平行或基本上反平行于层中磁化方向的二个数字状态之间自由转换。

为了在单个芯片上制造含有数千个或数百万个单元的大的存取可靠的MRAM，各个单元的磁响应特性的均匀性和可预见性是极为重要的。对存储数据的单元进行唯一存取的现有技术的方法涉及到二个写入电流，每个产生低于单元写入所要求的磁激励，但合起来产生大于单元写入所要求的磁激励。然而，由于涉及到制造过程不确定性和磁性材料固有变异的各种因素，各个单元的磁响应之间的变异可能很大。单元之间的这种磁响应变异直接影响到对各个存储数据的单元进行存取所要求的电激励和最终的磁性写入激励，因而妨碍了用最佳的固定的电激励值和最终的磁性写入激励值来获得整个阵列的选择性。

解决磁性单元变异问题的现有技术方法是改进制造工艺。由于各个单元的磁响应不仅对局部缺陷灵敏，而且对边沿和表面的粗糙度也灵敏，故这一解决方法一直是一种挑战。

我们所需要的是一种各个单元之间即使有磁学性质变异也可以工作的MRAM阵列。

本发明是一种具有二种类型磁性存储器单元的非易失磁性存储器阵列。各个单元位于各行和各列导电线的交点处，这些导电线用作改变磁性单元磁化状态的写入电流的导电通路。二种单元的形状彼此成镜象，亦即，借助于绕穿过单元的轴旋转第一种单元180度而得到第二种单元的形状。二种单元由于相对于磁化主轴不对称而成为一对不对称的单元。在最佳情况下，各个单元具有平行四边形的形状，有长度和宽度，其磁化主轴基本上沿平行四边形二个锐角之间的连线。二种单元在阵列中最好排列成交替的棋盘图形，这意味着一种单元被邻近的另一种单元围绕。由于所有周围的单元的磁化主轴不同于被选定写入的单元的磁化主轴，故提供了更大的写入裕度。结果，当写入电流通过选定的行和列被引入以便对选定的行和列的交点处的单元的磁化状态进行写入或改变时，邻近的周围单元就基本上很少有可能也被写入。

为了更充分地理解本发明的性质和优点，可参见结合附图的下列详细描述。

图1A示出了现有技术的MTJ型MRAM阵列，它具有排列在交叉的读出线与字线的相交区域的磁性存储器单元。

图1B示出了形成图1A的单个磁性存储器单元的各个示范性层。

图2A是理想单畴磁性区的磁响应的“星形”模型，用来对一般直角形磁隧道结单元进行模型化。

图2B是单个磁隧道结单元的磁响应范围的星形模型，各个单元具有不可预见的响应，并示出了写入一个单元而不写入邻近的单元所需的写入电流裕度的变窄。

图3A和3B分别示出了具有排列在交叉的读出线与字线的相交处的磁性存储器单元的现有技术GMR型MRAM阵列。

图4示出了本发明的一对不对称平行四边形形状的磁性单元。

图5A示出了平行四边形形状的单元，示出了二个自由层反平行磁化方向。

图5B示出了图5A的平行四边形单元的磁响应的星形曲线。

图6示出了本发明的MRAM阵列，示出了排列成棋盘图形的二种平行四边形形状的不对称单元的图形。

图7示出了用在图6的MRAM阵列中的图5A的二个平行四边形形状的不对称单元的磁响应的星形曲线。

图8示出了本发明的MRAM阵列，示出了二种平行四边形形状的不对称单元的交替图形的变通实施例，其中相同种类的单元排列成行。

图9示出了单个磁隧道结单元的磁响应的星形模型，MRAM阵列中的A型和B型单元的各个单元具有不可预见的响应，示出了星形曲线覆盖区所提供的额外的写入裕度。

图10示出了根据本发明的GMR型MRAM阵列的俯视图，此阵列具有排列成棋盘图形并位于交叉的读出线与字线的相交区域处的不对称的磁性存储器单元，其磁化主轴相对于导电线倾斜或成角度。

图11示出了本发明的GMR MRAM阵列，示出了二种平行四边形形状的交替图形的变通实施例，其中相同种类的单元排列成行，单元的端部覆盖导电线的宽度。

图12A-12E示出了可用于根据本发明的MRAM阵列中的成对的不对称单元的其它实施例。

现有技术MTJ阵列图1A示出了MTJ MRAM阵列的一个例子，其中的MTJ单元位于导电线1-6组成的示范性矩形网格的交点处。MRAM阵列包括一组用作一个水平平面内的平行字线1、2和3的导电线以及用作另一个水平平面内的平行位线或读出线4、5和6的一组导电线。读出线的方向不一样，即与字线成直角，致使从上往下看时，二组线相交。诸如图1B详细示出的典型存储器单元9的存储器单元，位于垂直地夹在字线和读出线之间的交叉区域中的各个交点处。图1A中示出了3个字线和3个读出线，但线的数目通常要大得多。存储器单元9排列成垂直叠层，且除了磁隧道结(MTJ)8之外，可以包括二极管7。在阵列的读出操作过程中，电流沿垂直方向流过单元9。通过存储器单元的这一垂直电流路径使存储器单元能够占据非常小的表面区域。对字线、MTJ、二极管的接触以及对位线的接触都占据同一个区域。虽然在图1A中未示出，但可以在诸如包含其它电路的硅衬底之类的衬底上制作阵列。而且，绝缘材料层通常位于不是交叉区域的MRAM的其它区域处的位线与字线之间。

参照图1B更详细地描述一下存储器单元9的结构。存储器单元9制作在字线3上并与字线3接触(图1A)。存储器单元9包含电学串联连接的由例如硅结型二极管7的二极管之类器件和MTJ 8组成的垂直叠层。二极管7是硅结型二极管，它包含n型硅层10和p型硅层11。二极管的p型硅层11经由可能包括诸如氮化钛之类的势垒层的欧姆接触层12，被连接到MTJ 8。这有利于使接触层12和二极管7更薄，从而减小字线与MTJ之间的间距。二极管的n型硅层10被连接到字线3。

MTJ 8由一系列彼此层叠的材料层组成。图1B的MTJ 8包含诸如Pt、Pd或Ti之类的模板层15、诸如坡莫合金(Ni-Fe)之类的起始铁磁层16、诸如Mn-Fe之类的反铁磁层(AF)18、诸如Co、Fe或坡莫合金之类的固定或“固定(pinned)”型参考铁磁层20、由氧化铝(Al2O3)组成的薄的绝缘隧道势垒层22、诸如由薄的Co-Fe和坡莫合金组成的夹层之类的软的可改变的“自由”软铁磁层24、以及诸如Pt、Pd、Ti之类的接触层25。

自由层24被制造成具有称为易磁化轴(EA)的最佳磁化方向轴。沿此易磁化轴，自由层24有二个确定存储器单元二种状态的可能的磁化方向。相反，参考层20可以制造成仅仅具有一个称为其单向各向异性方向的最佳磁化方向，且此方向平行于自由层的易磁化轴。所需的自由层的易磁化轴由MTJ的本征各向异性、应变引入的各向异性和形状各向异性的某种组合确定。所述的MTJ和自由层可以制作成长度为L和宽度为W的矩形形状，其中的L大于W(图1B)。自由层的磁矩多半沿L方向。

如图1A所示，导电线1、2、3和4、5、6分别排列成交叉的行和列，从而形成单元所在的交叉区域。如上所述，各个单元包含自由铁磁层24和固定或参考铁磁层20(术语参考层此处被广义地用来表示与自由区或可改变的区域组合的导致整个器件的可探测的状态的任何种类的铁磁区)。这种单元电存储可存取数据的能力，依赖于电子在这二种铁磁层之间的隧穿，此隧穿又依赖于二个铁磁层的相对磁化方向。以双稳态方式将自由层的磁化旋转到二个可选择方向中的一个，导致存储在单元中的二种状态。若单元被定向成其易磁化轴(EA)沿X轴，则流过线5(垂直于X方向)的写入电流会将EA磁场施加到单元，而流过线3(垂直于Y方向)的电流会将难磁化轴(HA)磁场施加到单元。

在一个MRAM单元装置中，单个单元的写入遵守称为“星形”转换的原理。单元中的单个自由层的转换阈值依赖于写入电流所施加的EA和HA磁场的组合。图2A所示的这一“Stoner-Wohlfarth”星形模型，示出了施加的EA和HA磁场平面内的这些阈值的数值。当EA和HA磁场的组合在单元处引起星形之外的向量时，自由层的磁化方向从平行于固定即参考层的磁化方向转换到反平行于固定即参考层的磁化方向，反之亦然。借助于经由一对选定的导体沿X和Y轴施加电流，可选择性地转换阵列中的单个单元。这些电流只在位于这些线的交点处的单元上产生EA和HA磁场的组合，理论上转换被选定的单元，但不转换邻近的单元。平行于X轴的行中的所有单元都经受同一个外加HA磁场。同样，平行于Y轴的行中的所有单元都经受同一个外加EA磁场。但只有这些线的交叉处的单元经受转换所需的这二个磁场的组合。代表位于星形内部的外加磁场的向量不会将单元从其电流双稳态中的一个转换。于是，在例如图2A中，若写入电流经由导体沿X方向和Y方向分别产生数值为HY1和HX1的磁场分量，则得到的磁场向量将在星形内部，且自由层的磁化方向不转换。

当星形的阈值在单元之间和同一个单元的磁滞环之间变化时，就出现了问题。如图2B所示，单元之间的磁性质的这一变化导致星形加宽成阈值带。由于在单个外加HA或EA磁场下的选择性地转换单元的能力依赖于除了沿不被转换的线的单元之外的所有单元，故若这一星形带加宽太多，则由于沿线的其它未被选定的单元也可能转换而不再可能用一致的写入电流值选择性地写入各个单元。

现有技术GMR阵列GMR元件具有至少一个固定铁磁层和至少一个自由铁磁层，用来以其磁化方向而存储数据，排列成插入有铜薄层的夹层结构。在GMR型MRAM中，通常垂直于GMR元件的易磁化轴的写入导体通过各个GMR元件上方。读出线本身被用作第二导体。图3A-3B平面图和剖面图所示的GMR型MRAM，包括写入导体71、72和读出线73、74。读出线包括由低阻金属缝合区75串联连接的GMR旋转阀元件(诸如线73中的元件77和78)。GMR元件包括固定铁磁层和自由铁磁层。为了写入GMR MRAM单元77，小于反转自由层磁化方向所需的电流被通过写入导体71，并使第二写入电流通过读出线73。由这二个写入电流产生的磁场的组合必须足以反转单元77的自由层的磁化方向，但不足以反转诸如单元78和79之类的邻近单元的磁化方向。制造过程和材料性质的变异使得难以用上述MTJ阵列那样的方法获得将许多单元紧密排列在一起的阵列。

最佳实施例的描述本发明是图4中示为A和B单元的一对不对称磁性存储器单元，各自的用来存储数据状态的磁性层磁化主轴(虚线所示)不平行。该对单元中的一个，例如A的主轴最好从载运写入电流的导体26反时针旋转，而该对单元中的另一个，例如B的主轴从导体27顺时针旋转同样的角度。

参照图4，各个单元共用沿单元平面图中的假设X-Y坐标系的Y轴的第一写入导体28，为了解释的明了，详细地描述一下第一写入导体28位于磁性元件上方而其它写入导体26和27位于磁性元件下方的情况。写入电路被连接到写入线，使写入电流可以导向沿其长度的每一方向。由于第一写入导体被假定为位于磁性元件上方，故沿+Y方向的写入电流将产生沿-X方向的磁场。对中的单元具有垂直于第一写入导体28延伸且位于磁性元件下方的分立的第二类型的写入导体26和27。由于写入导体26和27位于磁性元件下方，故沿+X方向的写入电流将产生沿-Y方向的磁场。注意，所有的写入导体可以位于磁性元件的上方或下方。借助于调整相对磁性元件改变了相对位置的导体中电流的极性，可出现同样的改进写入选择性的好处。写入导体彼此被绝缘材料分开。最好用A和B之间的形状差异来产生磁化方向的旋转。各种各样的形状将产生磁化方向绕X或Y轴的旋转。下面讨论平行四边形、不与轴对准的矩形、梯形、截头平行四边形和其它形状。产生一对磁化方向转离X或Y轴(一个顺时针，另一个反时针，但二者的旋转幅度相等)的单元的简单方法是绕X或Y轴将该形状旋转180度。由于磁化元件沿磁化方向的二个磁性状态的双向对称性，故绕X或Y轴旋转180度产生相似的结果。

以下对平行四边形及其绕X轴的旋转，解释单元A和B的不对称对的写入选择性的改进。然而，沿磁化方向产生相似的不对称性的任何形状对将得到相似的好处。图5A示出了长度-宽度比为2∶1的60度平行四边形的A型单元中的自由铁磁层的二个稳定磁性状态的磁化方向(箭头37和39)。图5B示出了对应于单元A的星形曲线。图5B中的星形曲线的不对称性，亦即平行四边形形状单元的转换不对称性，是由稳定磁化状态不对准X轴而是偏离轴(对于2∶1的60度平行四边形约偏离20度)所造成的。借助于首先考虑其长度沿X轴的矩形单元的情况，能够理解A单元星形曲线的这种形状。由于形状各向异性，稳定的磁化状态沿X轴，亦即，最小静磁能态是磁极彼此相距最远时。众所周知，如Steiner-Wolfarth星形曲线所描述那样，对于矩形单元，当磁场沿X轴施加时，比之施加的磁场到X轴的角度约为45度时，转换状态所需的磁场更大。这是因为比之直接反转磁矩，旋转磁畴更为容易。直接反转磁矩由于强制在各个磁畴上的随机取向而将净磁化降低为0。另一方面，旋转使各个磁畴能够保持对准，这在能量上是有利的状态。因此，当外加磁场方向指向星形曲线这样一个稳定磁化状态的方向时，反转状态所需的外加磁场的幅度更大。当考虑平行四边形单元时，出现相同的效果，但施加的磁场被绕离X轴。如图5A所示，磁化方向被平行四边形的形状旋转大约20度。如图5A中箭头37和39所示，当极性处于相反的锐角时，静磁能最小。结束于图5B中的星形的点P处的外加磁场向量是转换的最高外加磁场，与X轴成大约20度角度。因此，正的HX磁场与正的HY磁场的组合就导致指向星形的P点的总外加磁场向量。但若HY为负，则外加磁场向量沿星形弯曲侧的中点M的方向，且其幅度只有转换磁化方向所需的总磁场的大约50-70％。

图6示出了具有排列成交替的棋盘图形的A和B二种平行四边形单元的MRAM阵列。图7示出了图6的A和B单元的重叠的星形曲线，这些单元是长度与宽度的比率为3∶1的60度平行四边形单元，并由成对的不对称单元提供写入裕度。

参照图6，本发明的一个实施倒是一种MRAM阵列，其中不对称的存储器单元对的二个不同形状(图6中示为A和B型单元形状)在衬底上制作成棋盘图形。由于二种单元形状像棋盘的黑白方块那样交替，致使特定单元的所有最近的邻近单元都是不同的类型，故此图形是“棋盘”状。二种单元最好磁性层的形状不同，它们彼此成镜像，亦即将一种形状绕通过单元的轴旋转180度则得到另一种形状。由于它们相对于磁化主轴是不对称的，亦即磁化主轴既不平行于X轴也不平行于Y轴，故此二种单元可以被认为是成对的不对称单元。在最佳情况下，各个单元具有平行四边形形状，有长度和宽度。导电写入线31、33、35平行于X轴并位于行单元下方，而导电写入线30、32、34平行于Y轴并位于单元列上方。写入电路被连接到写入线，以便启动通过写入线的行和列引入的写入电流，从而启动对各个单元的写入。由于写入线31、33、35位于磁性元件下方，故沿+X方向的写入电流将产生沿-Y方向的磁场。同样，由于写入线30、32、34位于磁性元件上方，故沿+Y方向的写入电流将产生沿-X方向的磁场。

参照图7，假设A型单元(图6中的单元40)被选定由施加指向点S的外加磁场向量而被写入。指向点S的磁场向量是通过线32(图6)沿-Y方向的写入电流引起的+HX分量和通过线33(图6)沿+X方向的写入电流引起的-HY分量的向量和。指向点S的向量在A星形曲线外面，故A单元中的自由层的磁化方向将被旋转180度，且A单元将改变其磁性状态。借助于选择通过写入线，例如单元40情况下通过线33和32的写入电流的恰当数值，来选择外加磁场向量S的方向和幅度。

阵列中沿Y轴的最近邻近单元(图6中的单元60)由于具有只沿-Y方向通过(通过线32)的写入电流，也可能经受+HX磁场分量。然而，单元60由于仅仅邻近写入线33，故将经受小得多的-HY磁场分量。指向点V的向量代表对选定单元40进行写入所造成的单元60上的磁场。如所示，点V位于B单元星形曲线内，故单元60将保持其状态而不被转换。但如在图6中可见，若如所有单元都具有相同的形状的现有技术那样，单元60也是一个A单元，则其磁性状态会被转换。这是由于点V位于A单元星形曲线外面。

阵列中沿X轴的最近邻近单元(图6中的单元50)由于具有只沿+X方向通过(通过线33)的写入电流，也可能经受-HY磁场分量。然而，单元50由于仅仅邻近写入线32，故将经受小得多的+HX磁场分量。指向点W的向量代表对选定单元40进行写入所造成的单元50上的磁场。点W位于B单元星形曲线内部，故单元50将不被转换。但若单元50也是一个A单元，则可能保持不了其状态而也被转换。这是由于点W位于A单元星形曲线外面。

图7中的点F示出了远离选定的单元40但共用X或Y线的各个单元所经受的磁场。图7中的星形的旋转能够降低单元的安全裕度F，亦即点F位于曲线内部多远处，使磁化旋转应该不大于大约30度，以便在对选定单元进行写入时确保此单元不受干扰。因此，磁化旋转最好在5度到30度之间，大约15度最好。

用图7第二象限中的阴影区域示出了采用棋盘图形中的不对称单元所提供的额外的写入裕度。假设单元40和50的自由层的起始磁化方向主要沿-X方向，亦即指向A和B平行四边形的左锐角。图7第二象限中的点S代表分别由通过线32和33的写入电流产生的磁场HX和HY的向量和。通过线32的写入电流沿-Y方向，而通过线33的写入电流沿+X方向。点S位于A星形曲线外面，故单元40中的自由层的磁化方向将被反转成为基本上沿+X方向(指向单元的右锐角)。然而，由于邻近的B单元50具有A单元40的镜像形状，故其星形曲线是A单元星形曲线绕Y轴的镜像。在第二象限中，B单元星形曲线位于A单元星形曲线外面外加磁场向量所处的区域。相反，若如现有技术那样，单元50的形状与单元40相同，则如图2B中的现有技术所示，其星形曲线可能具有与单元40的星形曲线相同的形状，但由于各个单元性质不同而可能更大或更小。虽然此单元50中的来自线33的写入电流的-HY磁场分量可能相同，但由于单元50位于邻近线32的线34上，来自线32的写入电流的HX磁场分量可能更小。然而，由于单元的变异，无法预见星形曲线在第二象限中的准确位置，因而无法准确预见写入裕度，亦即邻近单元的二个星形曲线在第二象限中的间隔。但利用本发明，如图7所示，单元50的星形曲线的形状也被改变了，以致即使由于单元之间的变异而使单元50的星形曲线较小，即单元40的星形曲线较大，星形形状的差异仍然提供了写入裕度，如图7中第二象限的阴影部分所示。

当各个单元被组合得更紧密，亦即各个单元的尺寸保持不变但间距变小时，点V和W向S靠近，成对的不对称单元所引起的不对称星形曲线的好处变得越来越重要。由于到邻近的各个单元的距离减小，故V和W点更靠近S，使附近的场强增大到大于选定单元处的磁场分量。

若单元40的自由层的磁化方向基本上沿+X方向，则对单元的写入可能出现在第四象限，亦即线33和32中的写入电流可能分别沿-X和+Y方向。于是，借助于将通过A单元的写入电流从第二象限中的+X(负HY磁场)和-Y(正HX磁场)转换成第四象限中的-X(正HY磁场)和+Y(负HX磁场)，所有A单元就被从状态“1”转换成状态“0”，反之亦然。借助于仅仅反转写入电流但保持写入电流的幅度不变，来实现第四象限中对A单元的写入。图7中指向点T的外加磁场向量示出了这一点。于是，采用根据本发明的棋盘图形的成对的不对称单元，就使得能够利用固定数值的写入电流，同时还提供了如上所述的改进了的写入裕度。同样，如图7第一和第三象限所示，借助于将通过B单元的写入电流从正方向转换成负方向，所有的B单元都被从状态“1”转换成状态“0”，反之亦然。在所有四个象限中都得到了增大了的写入裕度。

在图7中，HX的幅度大于HY的幅度，使点S比之靠近写入场的难磁化轴(Y)，更靠近易磁化轴(X)。在GMR和MTJ MRAM阵列中，这是常见的情况，这是由于导体通常与器件接触，因而通过此导体的电流在其紧邻的磁性元件处产生强磁场。第二导体通常与器件绝缘并距离更远，因而在相似的写入电流电平下产生较小的磁场。

在图7中，当点S靠近X轴比靠近Y轴更近时，如阴影区所示，交替的棋盘图形提供了增大了的写入裕度。阴影区是曲线B位于曲线A外面的区域(注意写入场的HX分量大于HY分量)。由于曲线B在外面，且邻近的单元50(图6)是B型的，故邻近的单元50具有更高的写入裕度所需的更高的写入场阈值。下面考虑HX小于HY的不同的情况。由于曲线B和A在点C(离X和Y轴大约等距离)处相交，故如在图7中的D区那样，当HX小于HY时，曲线B不在曲线A外面。若邻近的B型单元50的写入场向量指向D区中的点，则单元50可能不具有所需的较高的场阈值。因此，若用来对单元进行写入的HX和HY的幅度几乎相等，或HY场幅度大于HX场，则最好有不对称单元的不同的图形。图8示出了这种图形。

参照图8，本发明的另一个实施例是一种MRAM，其中相对于单元中的磁性存储元件的磁化方向不对称的二个不同的单元(在图8中表示A和B单元)，在衬底上被制作成交替的线图形。相同类型的单元沿最靠近磁性元件的难磁化轴的Y轴方向交替排成行。

在图8所示的优选阵列中，各个单元具有平行四边形形状，有长度和宽度。导电写入线31’、33’、和35’平行于阵列的X轴，并位于单元行下方，而导电写入线30’、32’和34’(也用作读出线)基本上平行于Y轴，并位于单元列上方。写入电路被连接到写入线并按上述方式控制，以便对A和B型单元进行写入。被选定写入的A型单元40’沿Y轴邻近于附近的B型单元60’。沿X轴的邻近单元50’是A型单元。

图9是图6的复制品，其写入场向量用分别代表单元40’、60’和50’的磁场的点S’、V’和W’代替。被选定的A型单元40’由于S’位于曲线A外面而被写入。邻近的B型单元60’由于V’位于曲线B内而不被写入，且邻近的A型单元50’由于W’位于曲线A内而不被写入。图9中的阴影区表示借助于选择根据图8的交替线单元安排而得到的额外的写入裕度。

现参照图10，本发明的另一个具有GMR磁性元件的实施例是一对排列成棋盘图形的不对称的GMR旋转阀磁性存储器单元，如图10中A和B单元所示，各自的用来存储数据状态的磁性层的磁化主轴不平行。GMR元件具有至少一个固定磁性层和至少一个用来以其磁化方向存储数据的自由磁性层，二者成夹层结构，之间插入有铜层。单元对中的一个单元例如A的主轴最好从载运写入电流的导体81的方向逆时针旋转，而单元对中的另一个单元例如B的主轴最好从载运B单元写入电流的导体83顺时针旋转相等的角度。在图10中，单元对共用沿假设的X-Y坐标系的Y轴的写入导体85。写入导体85最好在磁性元件下方，而其它的写入导体81和83在磁性元件上方，而不是所有的导体都在磁性元件上方。以这种方式来尽量减小导体的平均间距。磁性元件与导体之间的绝缘层尽可能实用地薄，以便用最小的电流产生足够的写入场。写入电路被连接到写入线，以便启动沿其长度方向引入的写入电流。除了上述的写入导体之外，读出线串联连接一串GMR单元。读出线87包括由低阻金属缝合区88串联连接的诸如元件82和84的GMR旋转阀元件。

磁化方向的旋转最好由A和B单元之间的形状差异产生。各种各样的形状将产生磁化方向离开X或Y轴的旋转。平行四边形、与轴不对准的矩形、梯形、截头平行四边形和其它形状都是可能的。为了容易制作缝合导体88与A和B单元中的GMR元件之间的覆盖区，以及为了提供单元之间的高密度组合，截头平行四边形较好。图10中的单元A和B的星形与图7相似。不对称单元A和B对的写入裕度与上述图7的相同。

现参照图11，GMR MRAM阵列采用在衬底上制作成的两种类型的单元构成的不对称单元对，相同类型的单元沿最靠近单元难磁化轴的轴(Y轴)呈交替的线图形(在图11中示为A和B单元)。此安排采用金属缝合88’与GMR元件之间的覆盖区，刚好覆盖一部分元件宽度，致使流过读出线的电流主要平行于X轴而不管A和B型GMR元件的不对称性。缝合元件88’都位于同一条线上。平行于X轴的写入电流由读出线87’载运。平行于Y轴的写入电流由隔离于GMR元件的导体85’载运。由于产生HY的写入导体87’位于GMR元件的紧邻，故被选定的单元40’以及邻近的单元60’和50’的写入场向量分别是图9中的点S’、V’和W’，且如图9所述得到了增大的写入裕度。在图11的实施例中，写入导体85’最好位于GMR元件上方，使GMR元件能够被制造在平滑的表面上。

图12A-12E示出了成对的不对称单元的其它实施例。图12A示出了旋转轴为X轴的梯形单元。图12B示出了绕Y轴旋转了的梯形单元。

图12C和12D示出了相对于X和Y轴倾斜的一般矩形单元。注意图12C和12D的一般矩形单元各具有通常与磁化主轴重合的几何对称轴，但这些单元形状由于其几何对称轴和磁化主轴不平行于X或Y轴而仍然是不对称的。图12C中的一般矩形单元具有沿长轴的截头端部，而图12D中的一般矩形单元具有圆滑的端部。如美国专利5757695和4731757所述，这些类型的单元避免了由单元端部的突变引起的多磁畴问题。

图12E示出了具有截头平行四边形形状的一对单元，其中的旋转轴是Y轴。于是，在本发明中，即使附图示出了所指出的平行四边形和梯形单元的端部，也可以理解，这种单元在单元的顶部可以具有圆滑形状的角。

虽然在本发明中，最佳实施例具有彼此成镜像的A和B型单元，但只要各个单元类型是不对称的，亦即单元具有其磁化主轴不平行于X或Y轴的形状，就不要求于此。于是，为了制作不对称的对，在本发明中有可能从图12A-12E选择任何一种A单元，并从图12A-12E选择任何一种B单元。

虽然参照其最佳实施例已经具体描述了本发明，但本技术领域熟练人员可以理解，可以在其中作出各种各样的形式和细节方面的改变而不超越本发明的构思与范围。