[发明专利]磁性存储单元的结构、存取方法以及磁性存储器电路

说明书

技术领域

本发明是有关于一种磁性存储器技术，且特别是有关于一种磁性存储单元的结构、存取方法以及磁性存储器电路，至少具有低写入电流以及以邻近存储单元为参考存储单元的特性。

背景技术

磁性存储器，例如磁性随机存取存储器(Magnetic Random AccessMemory，MRAM)也是一种非挥发性存储器，有非挥发性、高密集度、高读写速度、抗辐射线等优点。是利用相邻于隧道势垒层之磁性物质的磁距，由于平行或反平行的排列所产生磁阻的大小来记录逻辑“0”或逻辑“1”的数据。写入数据时，一般所使用的方法为两条电流线，例如位元线(Bit Line，BL)及写入字元线(Write Word Line，WWL)感应磁场所交集选择到的磁性存储单元，藉由改变自由层磁化向量方向，来更改其磁电阻值。而在读取存储数据时，让选择到的磁性存储单元流入电流，从读取的电阻值可以判定存储数据之数位值。

图1绘示一磁性存储单元的基本结构。参阅图1，要存取写入一磁性存储单元，也是需要交叉且通入适当电流的电流线100、102，其依照操作的方式，又例如称为位元线与字元线。当二导线通入电流后会产生二个方向的磁场，以得到所要的磁场大小与方向，以施加在磁性存储单元104上。磁性存储单元104是迭层结构，包括一磁性固定层(magnetic pinned layer)在一预定方向具有固定的磁化向量(magnetization)，或是总磁距(total magneticmoment)。利用磁性自由层与磁性固定层彼此间磁化向量的角度差异，产生不同的磁电阻大小，来读取数据。又，如果要写入数据，也可以施加一写入磁场，决定磁性自由层在无磁场下的磁化向量方向。藉由输出电极106、108，可以读出此存储单元所存的数据。关于磁性存储器的操作细节，是本领域技术人员可以了解，不继续描述。

图2绘示磁性存储器的存储机制。于图2，磁性固定层104a有固定的磁距方向107。磁性自由层104c，位于磁性固定层104a上方，其中间由一隧道势垒层104b所隔离。磁性自由层104c有一磁距方向108a或是108b。由于磁距方向107与磁距方向108a平行，其产生的磁阻例如代表“0”的数据，反之磁距方向107与磁距方向108b反平行，其产生的磁阻例如代表“1”的数据。

对于一磁性存储单元而言，其磁阻(R)与磁场H大小的关系，如图3所示。实线代表单一磁性存储单元的磁阻对应磁场曲线。然而，磁性存储装置会包含多个存储单元，其每一个存储单元的条件不很一致，因此磁阻线会有如虚线的变化，这会造成存取写入错误。图4绘示传统存储单元的阵列结构。图4的左图是一阵列结构，例如藉由施加二个方向磁场Hx、Hy，对存储单元140存取写入。右图是磁场Hx与Hy对于存储单元140所产生的作用。在实线区域内，由于磁场小，不会改变存储单元140之存储状态。而在实线区域外的一有限区域内的磁场，可适合于磁场翻转的操作。如果磁场太大就可能会有磁性干扰邻近存储单元的现象，也是不适合使用。因此，一般以操作区域144的磁场作为操作磁场。然而，由于其他的存储单元142也会感受到施加的磁场，而由于邻近存储单元142的操作条件变化，此施加的磁场也可能会改变其他存储单元142的储存数据。因此，如图2的单层的磁性自由层104c，会有存取写入错误的可能。

至少为了解决上述问题，一些改进的其他技术也被提出。图5绘示传统磁性存储单元的另一种设计。于图5中，一磁性固定迭层，是由一下固定层(bottom pinned layer)160、一磁性耦合间隔层162以及一上固定层(top pinnedlayer)164所迭合而成。下固定层160有一磁化向量172，而上固定层164也有磁化向量174，其磁化向量的方向如图所示，是垂直于图的纸面。另外单层的磁性自由层168，位于上固定层164之上，由一隧道势垒层166隔离。磁性自由层168的磁化向量176的方向如图所示，是向左或向右，且垂直于磁化向量174。在磁性自由层168上有一电极层170，另外在下固定层下面也包含有另一反铁磁层、另一缓冲层及另一电极层(未示于图5)。

于图5的磁性存储单元的设计是使磁化向量172与磁化向量174的耦合很弱，磁化向量174可以被外部施加的操作磁场(assisted field)所改变。当磁化向量174被外部操作磁场作用旋转某些角度时，藉由磁化向量176与磁化向量174彼此间磁化向量角度的差异，可以判定磁化向量176的方向，因此可以决定其代表的二进位数据。