[发明专利]存储器装置、磁性随机存取存储器的存储单元及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁性随机存取存储器(MRAM)装置，尤其涉及一种存储器装置、磁性随机存取存储器的存储单元及其制造方法，将自旋矩转换(STT)用以数据写入。

背景技术

磁性随机存取存储器(MRAM)为非易失性存储器技术，其使用磁化以表示存储的数据。一般而言，MRAM包括多个磁性存储单元于一阵列中。各个存储单元基本上表示数据的一个位元。于存储单元中所包含的是磁性构件。一磁性构件可包括两个铁磁性“板”(或者于半导体基底上的材料层)，分别具有与其相关的一磁化方向(或者磁矩的位向)。所述两个铁磁性板借由一薄的非磁性层隔离。

更明确地说，一MRAM元件通常是以磁性穿隧结(MTJ)元件为基础。一MTJ元件包括至少三个基本层：一“自由层”、一穿隧阻障层、以及一“固定层”。该自由层和固定层为铁磁性层；该穿隧阻障层为一薄的隔离层，位于该自由层和固定层之间。该自由层的磁化方向可自由旋转，但是受到该层的物理尺寸的制约，仅指向两个方向之一；该固定层的磁化方向为固定于一特定的方向。一位元借由定位该自由层的磁化方向于上述两个方向之一而写入。依凭着该自由层和固定层的磁矩的位向，该MTJ元件的电阻将随之改变。因此，借由决定出该MTJ元件的电阻，可将该位元读取。当该自由层和固定层的磁化方向为平行，且磁矩具有相同的极性时，该MTJ元件的电阻为低阻态。基本上，此表示为“0”。当该自由层和固定层的磁化方向为反平行，且磁矩具有相反的极性时，该MTJ元件的电阻为高阻态。基本上，此表示为“1”。

自旋矩转换(STT)(也称为自旋转换切换或自旋转换效应)为MTJ存储元`件的写入技术之一。STT技术概念是基于当一自旋极化电流(电流中大部分的电子自旋朝着相同的位向)施于一自由铁磁性层，所述电子可将其电子角动量转换至该自由层，以切换该自由层的磁化方向。使用STT写入磁性元件的优点包括较小的位元尺寸以及较低的写入电流需求。然而，于STT中，所需将MTJ元件的磁化方向自平行切换成反平行状态所需的切换电流为20-50％大于自反平行切换成平行状态所需的切换电流。更有甚者，于一传统的STTMTJ元件中，较大的平行至反平行切换电流受限于“源极退化”效应或者为“源极位置负载”效应。此源极退化效应制约流经MTJ元件的电流总量，并且可阻碍该MTJ元件可靠地切换磁化方向自反平行至平行状态。有鉴于此，业界急需一种STT MTJ元件，并不受限于源极退化效应，以确使该MTJ元件可靠地切换磁化方向自平行至反平行状态。

发明内容

在此所揭示的装置及方法为一MRAM的反向连接STT MTJ元件，当切换该MTJ元件的磁化方向自平行至反平行状态时，用以克服源极退化效应。

本发明的实施例提供一种磁性随机存取存储器的存储单元，包括：一切换元件，包括一源极、一栅极和一漏极；以及一磁性穿隧结元件，包括一自由层、一固定层和一隔离层，其中该隔离层夹置于该自由层与该固定层之间；其中该磁性穿隧结元件的自由层与该切换元件的漏极连接，该磁性穿隧结元件的固定层与一位元线连接，该切换元件的栅极与一字元线连接，及该切换元件的源极与一感测线连接。

本发明的实施例另提供一种磁性随机存取存储器的存储单元的制造方法，包括：形成一基底；形成一切换元件，该切换元件包括一源极区域、一有源区域和一漏极区域；形成一磁性穿隧结元件，该磁性穿隧结元件包括一自由层、一固定层和一隔离层，其中该隔离层夹置于该自由层与该固定层之间；连接该源极区域至一感测线；形成一写入线以通过该有源区域控制该切换元件；连接该漏极区域至该磁性穿隧结元件的自由层；以及连接该磁性穿隧结元件的固定层至一位元线。

本发明的实施例又提供一种存储器装置，包括：一存储单元包括：一基底；一切换元件，包括一源极区域、一有源区域和一漏极区域；一磁性穿隧结元件，包括一自由层、一固定层和一隔离层，其中该隔离层夹置于该自由层与该固定层之间；一感测线，连接至该源极区域；一写入线，以通过该有源区域控制该切换元件；以及一位元线，连接至该磁性穿隧结元件的固定层；其中该存储单元的电流承载能力大于切换该自由层的磁化方向成为平行于该固定层的磁化方向所需的电流，并且大于切换该自由层的磁化方向成为反平行于该固定层的磁化方向所需的电流。

本发明的反向连接的MTJ元件运用该存储单元的低I_MTJ能力，致使源极退化效应对I_MTJ(AP→P)影响较不严厉，而保有较高的I_MTJ能力因应较严格的I_MTJ(P→AP)需求。