磁性随机存取存储器制造技术

本发明专利技术公开了一种磁性随机存取存储器，包括多个存储单元，构成一阵列。每一个存储单元有磁性自由叠层与固定叠层。固定叠层的磁化向量皆朝预定方向设置。磁性自由叠层有磁性易轴。相邻的二个该存储单元的二个该磁性易轴实质上相互垂直。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种存储器，且特别涉及一种^f兹性随机存取存储器。
技术介绍
石兹性存^诸器，例如》兹性随4几存耳又存4诸器(Magnetic Random Access Memory, 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'T，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(WriteBit Line, WBL)及写入字线(Write Word Line， WWL)感应；兹场所交集选4奪到的 ^t性存^f诸单元，通过改变自由层^t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，包括石兹性固定层(magnetic pinned layer)在预定方向具有固定的 》兹^匕向量(magnetization),或是总；兹矩(total magnetic moment)。利用；兹性自由 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。石兹性自由层104c,位于》兹性固定层104a上方，其中间由穿隧 能障层104b所隔离。-兹性自由层104c有》兹矩方向108a或是108b。由于;兹矩方向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。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；兹性存储单元结构，包括固定叠层(pinned stack layer)120、穿隧层 (Tunneling layer) 128、以及》兹性自由叠层(Magnetic free stack layer) 130。固定 叠层120由下固定层(bottompinned layer) 122、耦合层124以及上固定层(top pinned 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》兹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(Togglemode)，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。磁性存储器在朝着高密度设计的同时，所面对的问题，除了在栓扣操作 模式下，其翻转所需的磁场须降低之外，还需要面对当尺寸微缩，邻近的细 胞元容易受到写入线外露的^f兹场干扰增多的情形。虽然目前有自由层为铁;兹 /非磁性金属/铁磁三层(SAF free layer)材料的拴扣型MRAM的结构为较好抗 干扰的方法，但因为先天上其结构操作的工作象限皆为相同，在石兹性穿隧介 面(magnetic tunneling junction, MTJ)的元件i殳计点上，如果交换场强度 (Exchange Coupling, J)太小时，或是利用不对称的人造固定层产生的偏压磁场(bias field)太大时，均会使得MTJ元件抗干扰的能力下降。这些情形会使 得磁性存储器无法正常的操作。如何改善上述的干扰问题，让磁性存储器能够顺利操作的技术需要计需 研发。
技术实现思路
本专利技术提供一种磁性随机存取存储器，通过取邻近存储单元做为参考存 储单元，可以有效的解决干扰的问题，让磁性存储器能够顺利操作。本专利技术提出一种磁性随机存取存储器，包括多个存储单元，构成一阵列。 每一个存储单元有磁性自由叠层与固定叠层，固定叠层的磁化向量皆朝预定 方向设置。磁性自由叠层有磁性易轴。其中相邻的二个存储单元的二个磁性 易轴实质上相互垂直。本专利技术提出一种磁性随机存取存储单元，接受二条写入字线和二条写入 位线的控制。磁性随机存取存储单元包括四个存储单元构成2x2的阵列单 元，其中每一个存储单元有磁性自由叠层与固定叠层，固定叠层的磁化向量 皆朝预定方向设置。磁性自由叠层有磁性易轴。其中相邻的二个存储单元的 二个^i性易轴实质上相互垂直。为让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实 施例，并配合附图，作详细说明如下。附图说明图1绘示磁性存储单元的基本结构。 图2绘示磁性存储器的存储机制。图3绘示传统的磁性存储单元结构，包括固定叠层、穿隧层、以及磁性 自由叠层。图4绘示本专利技术使用的另一磁性存储单元结构，包括固定叠层、穿隧层、 以及》兹性自由叠层。图5绘示本专利技术一实施例所采用的拴扣模式的旋转机制。图6绘示依据本专利技术一实施例阵列单元结构示意图。图7绘示依据本专利技术另 一实施例的阵列单元结构示意图。图8绘示本专利技术一实施例的相邻二存储单元的R-H回路的主要特征曲线示意图。图9绘示依据本专利技术一实施例，写入操作机制示意图。图IO绘示依据本专利技术一实施例，磁性存储器的阵列电路结构示意图。图11绘示依据本专利技术另一实施例，磁性存储器的阵列电路结构示意图。图12-15绘示依据本专利技术一实施例，存取存储单元的操作机制示意图。 图16绘示依据本专利技术一实施例，数据读出的机制示意图。 附图标记说明100、102:电流线104石兹性存储单元104a:;兹性固定层104b:穿隧能障层104c:磁性自由层107、108a、 108b:》兹矩方向106、108:电才及120、138:固定叠层122、140:下固定层124、142:耦合层126、144:上固定层128本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性随机存取存储器，包括：　多个存储单元，构成一阵列，每一该存储单元有磁性自由叠层与固定叠层，该固定叠层的磁化向量皆朝预定方向设置，该磁性自由叠层有磁性易轴，　其中相邻的二个该存储单元的二个该磁性易轴实质上相互垂直。

【技术特征摘要】
1. 一种磁性随机存取存储器，包括:多个存储单元，构成一阵列，每一该存储单元有磁性自由叠层与固定叠层，该固定叠层的磁化向量皆朝预定方向设置，该磁性自由叠层有磁性易轴，其中相邻的二个该存储单元的二个该磁性易轴实质上相互垂直。2. 如权利要求1所述的磁性随机存取存储器，还包括 多条写入字线，用以依照栓扣操作磁场模式，分别对应施加磁场给该阵列的多个行的该存储单元；多条写入位线，与该写入字线实质上垂直，用以依照该栓扣操作磁场模 式，分别对应施加;兹场给该阵列的多个列的该存储单元，其中该固定叠层的该磁化向量的该预定方向与该写入字线实质上相夹 45度，且该写入字线与该写入位线依时序所产生的相加》兹场，会旋转该义兹性 自由叠层的^f兹化向量的方向。3. 如权利要求1所述的磁性随机存取存储器，其中奇数的写入字线与偶 数的写入字线的二电流方向是相反，且奇数的写入位线与偶数的写入位线的 二电流方向是相反。4. 如权利要求3所述的磁性随机存取存储器，其中奇数的写入位线产生 沿正X方向的磁场，奇数的写入字线产生沿正Y方向的^兹场。5. 如权利要求3所述的磁性随机存取存储器，其中偶数的写入位线产生 沿负X方向的磁场，偶数的写入字线产生沿负Y方向的磁场。6. 如权利要求1所述的磁性随机存取存储器，还包括多条读取字线，用于分别与该阵列的多个行的该存储单元耦接； 多条读取位线，用于分别与该阵列的多个列的该存储单元耦接， 其中通过该读取字线与该读取位线，用以读取被选4奪的该存储单元的数 据磁电阻以及相邻的该存储单元的参考磁电阻。7. 如权利要求6所述的磁性随机存取存储器，其中该参考磁电阻是介于 稳定高磁电阻与稳定低磁电阻之间。8. 如权利要求1所述的磁性随机存取存储器，其中相邻二个该存储单元 的其一被选择以读取磁电阻时，另其一做为参考存储单元以提供参考磁电 阻。9. ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丁勇，李元仁，洪建中，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]