[发明专利]栓扣式磁性存储器的数据写入控制电路及数据写入方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种栓扣式磁性存储器的数据写入控制电路及数据写入方法，特别是一种在写入过程中以自我参考方式读取磁性存储器数据的写入控制电路。

背景技术

磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)属于非挥发性存储器，其通过电阻特性储存记录信息，具有非挥发性、高密集度、高读写速度、抗辐射等多种优点。磁性随机存取存储器的主要存储单元为制作在写入位线及写入字符线之间的磁性存储元件，其为多层磁性金属材料的堆栈结构，又称为磁性穿遂结(MTJ)元件，其结构是由软铁磁材料层(Soft MagneticLayer)、隧道势垒层(Tunnel Barrier layer)、硬铁磁材料层(Hard Magnetic Layer)与非磁性导电层(Nonmagnetic conductor)所堆栈组成。

栓扣式(Toggle)磁性穿隧结元件，具有宽广的操作区间及高热稳定性的优点，因此非常适合于嵌入式系统的应用。

MTJ元件是由相邻于隧道势垒层的两层铁磁材料的磁矩组态呈平行或反平行排列，以决定存储“1”或“0”的状态。写入数据是由到写入位线(WriteBit Line，WBL)及写入字符线(Write Word Line，WWL)的交集选择，通过流通在写入位线及写入字符线的电流所产生的磁场来改变存储层磁性材料的磁化方向，使得其电阻值改变以达到写入数据的目的。

栓扣式磁性穿隧结元件的典型的实施例如图1所示，其包括反铁磁层10、形成在反铁磁层10上的固定层20、形成在固定层20上的隧道势垒层30、形成在隧道势垒层30上的自由层40。固定层20与自由层40皆为合成式反铁磁(Synthetic Anti-Ferromagnetic)的组态。自由层40上形成有上电极51，反铁磁层10下形成有下电极52。上电极51与下电极52用以与金属导线连接形成读取数据的路径。在上电极51上方与下电极52下方分别是写入位线WBL及写入字符线WWL，如图2所示，使得通过写入电流时可产生磁场。上电极51还与读出位线RBL连接。

反铁磁层10由反铁磁材料所制成，举例来说，可选用PtMn或IrMn材料。形成在反铁磁层10上的固定层20可为一层以上的铁磁层堆栈。如图1所示即为三层结构的合成式反铁磁固定层，其结构为铁磁材料、非磁性金属以及铁磁材料依序堆栈而成，并使两铁磁层的磁矩方向为反平行排列，举例来说，可用CoFe/Ru/CoFe或CoFeB/Ru/CoFeB。形成在固定层20上的隧道势垒层30的材料，举例来说，可选用AlOx或MgO。形成在隧道势垒层30上的自由层40可为一层以上的铁磁材料堆栈，铁磁层材料可选用NiFe、CoFe、CoFeB。如图1所示即为三层结构的合成式反铁磁自由层，其结构为铁磁材料、非磁性金属以及铁磁材料依序堆栈而成，并使两铁磁层的磁矩方向为反平行排列，举例来说，可选用CoFe/Ru/CoFe、NiFe/Ru/NiFe或CoFeB/Ru/CoFeB。

在图1中，固定层20包括三层结构，其具有由铁磁材料形成的磁性层21、23与由非磁性金属形成的中间层22。此外，自由层40也包括三层结构，其具有由铁磁材料形成的磁性层41、43及由非磁性金属形成的中间层42。自由层40中的磁性层41、43各自具有磁矩61、62，其通过中间层42的耦合保持反平行排列。固定层20中的磁性层21、23也保持反平行排列。自由层40的磁性层41、43的磁矩方向，在施加磁场的情况下可自由旋转。固定层20的磁性层21、23的磁化方向不会随施加磁场而转动，其作用为参考层。

写入数据时，一般所使用的方法为在两条电流线：写入位线WBL及写入字符线WWL的感应磁场所交集选择到的存储单元，通过改变自由层40的磁化方向，来更改其电阻值。在读取存储数据时，需提供电流流入选择到的磁性存储单元，读取其电阻值以决定数据的数字值。