[发明专利]磁性随机存取存储器

说明书

技术领域

本发明涉及一种存储器，且特别涉及一种磁性随机存取存储器。

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。是利用相邻于穿隧能障层的磁性物质的磁矩，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，例如写入位线(Write BitLine，WBL)及写入字线(Write Word Line，WWL)感应磁场所交集选择到的磁性存储单元，通过改变自由层磁化向量(Magnetization)的方向，来更改其磁电阻(Magnetoresistance)值。而在读取存储数据时，让选择到的磁性存储单元元流入电流，从读取的电阻值可以判定存储数据的数字值。

图1绘示磁性存储单元的基本结构。参阅图1，要存取写入磁性存储单元，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，又例如称为位线与字线。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是叠层结构，包括磁性固定层(magnetic pinned layer)在预定方向具有固定的磁化向量(magnetization)，或是总磁矩(total magnetic moment)。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，也可以施加写入磁场，决定磁性自由层在无磁场下的磁化向量方向。通过输出电极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，是一般技术人员可以了解，不继续描述。

图2绘示磁性存储器的存储机制。在图2，磁性固定层104a有固定的磁矩方向107。磁性自由层104c，位于磁性固定层104a上方，其中间由穿隧能障层104b所隔离。磁性自由层104c有磁矩方向108a或是108b。由于磁矩方向107与磁矩方向108a平行，其产生的磁阻例如代表“0”的数据，反的磁矩方向107与磁矩方向108b反平行，其产生的磁阻例如代表“1”的数据。

上述图2的磁性自由层104c是单层结构，在操作上容易产生数据错误。美国专利第6,545,906号文件提出为了降低邻近细胞元在写入数据时的干扰情形，其自由层以铁磁/非磁性金属/铁磁三层结构取代单层铁磁材料。图3绘示磁性存储单元结构，包括固定叠层(pinned stack layer)120、穿隧层(Tunneling layer)128、以及磁性自由叠层(Magnetic free stack layer)130。固定叠层120由下固定层(bottom pinned layer)122、耦合层124以及上固定层(toppinned layer)126所组成。磁性自由叠层130由下自由层132、耦合层134以及上自由层136所组成，其中，下自由层132及上自由层136的材料例如是铁磁材料，耦合层134的材料例如是非磁性金属材料。图中箭头表示磁化向量的方向。下固定层122与上固定层126的磁化向量构成磁场回路，不受操作磁场改变。下自由层132与上自由层136的磁化向量是反平行设置，可以被外加的操作磁场改变，以改变储存的数据。数据取决于上固定层126与下自由层132之间磁化向量造成的磁阻变化。此种存储单元结构的下自由层132的磁性易轴方向与上固定层126的磁化向量是平行或是反平的排列，以150的图案表示，其中磁性异向性轴(又简称为磁性易轴)方向是以双箭头表示，而上固定层126的磁化向量以单箭头表示。

为了降低邻近细胞元在写入数据时的干扰情形，自由层以铁磁/非磁性金属/铁磁三层结构取代单层铁磁材料，非磁性金属上下两层的铁磁层以反平行排列。另外配合栓扣操作模式(Toggle mode)，并把写入位线及写入字线和自由层的磁性易轴夹45度，提供的电流以一定的顺序写入，此方法可以有效的解决干扰的问题，然而此方法的缺点会造成写入数据时所需的电流变大。