專利名稱：磁性存儲器的寫入方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種存儲器的寫入方法，且特別涉及一種磁性存儲器
(Magnetic Random Access Memory ， MRAM)的寫入方法。
背景技術：
隨著消費性電子產品的廣泛應用，消費者對于存儲器的要求曰趨嚴苛， 不論是對于存儲器的耗電量、成本、讀寫速度或是重復擦寫次數(shù)，均有愈來 愈高的要求。因此，近年來有愈來愈多追求不同市場區(qū)隔的新式存儲器技術 陸續(xù)推出，希望能突破目前存儲器的各項限制，成為新一代存儲器的主流技 術。
目前常見的存儲器包括動態(tài)隨機存取存儲器(Dynamic Random Access Memory, DRAM )、快閃存儲器(Flash Memory )、靜態(tài)隨機存取存儲器(Static Random Access Memory, SRAM)及磁性存儲器(Magnetic Random Access Memory, MRAM )。其中，磁性存儲器(MRAM)為一種新穎的非揮發(fā) (non-volatile)存儲器，其非揮發(fā)特性與快閃存儲器相同。且磁性存儲器
(MRAM)不論在寫入或讀取速度均可媲美靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)。 磁性存儲器(MRAM )的單位記憶面積更可與動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM) 相抗衡。因此，磁性存儲器已被公認為極具發(fā)展?jié)摿π乱淮鎯ζ鳌?br>
在磁性存儲器(MRAM)中，通過電流(或電子流)來進行自旋傳輸
(spin-transfer)寫入數(shù)據(jù)，在寫入數(shù)據(jù)時需要通以密度高達106~ 107A/cm2 的電流，方能改變存儲單元的磁阻大小，不僅增加了存儲器的耗電量，更凸 顯了關于電致遷移(electron migration)的問題，影響了存儲器運作的效率 及品質。因此，如何有效降低磁性存儲器寫入數(shù)據(jù)時的電流密度，實為目前 亟待解決的問題之一。
發(fā)明內容
本發(fā)明涉及 一 種石茲性存儲器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)的寫入方法，其透過外加磁場以及第一電子流來改變磁性自由層的 磁性方向。磁性存儲器的寫入過程中，通過外加磁場的輔助，第一電子流可 大幅降低。不僅降低了磁性存儲器的耗電量，更可避免電致遷移(Electronic Migration)的問題。使得磁性存儲器的運作效率大幅提升。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種磁性存儲器的寫入方法。磁性存儲器包 括第 一磁性固定層、第二磁性固定層及磁性自由層。第 一磁性固定層固定于 第一磁性方向，第二磁性固定層固定于第二磁性方向。磁性自由層可磁化為 第一磁性方向或第二磁性方向。寫入方法包括(a)施加外加磁場于磁性自 由層；以及(b)提供第一電子流通過磁性自由層，以磁化磁性自由層為第 一》茲性方向或該第二;茲性方向。
為讓本發(fā)明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉一優(yōu)選實施例，并配合 附圖，作詳細i兌明如下
圖1繪示依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的磁性存儲器的示意圖2繪示依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的磁性存儲器的寫入方法的流程圖3A 3B繪示磁性存儲器寫入"0"的過程示意圖；及
圖4A 4B繪示磁性存儲器寫入"1"的過程示意圖。
附圖標記說明
100:磁性存儲器110:第一字線
120:第 一反鐵磁層130:第一石茲性固定層
140:阻障層150:磁性自由層
160:間隔層170:第二固定層
180:第二反鐵磁層190:第二字線
200:磁性穿遂結堆疊結構310:底接觸層
320:第一導電層330:第二導電層
340:漏極區(qū)350:源極區(qū)
360:柵極區(qū)370:底導電層
El:第一電子流E2:第二電子流
Ml:第一磁性方向M2:第二磁性方向
外加》茲場
具體實施例方式
以下提出 一實施例作為本發(fā)明的詳細說明。然本發(fā)明的技術并不限制于 此，且此實施例是用以作為范例說明，并不會限縮本發(fā)明欲保護的范圍。再 者，實施例中的圖示亦省略不必要的元件，以清楚顯示本發(fā)明的技術特點。
請同時參照圖1及圖2，圖1繪示依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的磁性存儲器
(Magnetic Random Access Memory, MRAM ) 100的示意圖。圖2繪示依照 本發(fā)明優(yōu)選實施例的磁性存儲器100的寫入方法的流程圖。如圖l所示，磁 性存儲器100至少包括第 一磁性固定層(First Magnetic Pinned Layer )130、 第二石茲性固定層(Second Magnetic Pinned Layer )170及》茲性自由層(Magnetic Free Layer) 150。第一;茲性固定層130固定于第一》茲性方向Ml，第二磁性 固定層170固定于第二磁性方向M2,磁性自由層150可磁化為第一磁性方 向Ml或第二;茲性方向M2。在圖1中，i茲性自由層150的^f茲性方向以虛線 表示可以磁化為第一磁性方向Ml或第二磁性方向M2的其中之一。
其中，磁性存儲器100還包括間隔層(Spacer Layer) 160，設置于第二 磁性固定層170及磁性自由層150之間。間隔層160的厚度大約為0.7納米
(nm) ~3納米(nm),使得電子可穿隧通過間隔層160。第二^茲性固定層 170、磁性自由層150及間隔層160即組成磁性穿隧結堆疊結構(Magnetic Tunnel Junction, MTJ ) 200。在磁性穿遂結堆疊結構(MTJ ) 200中，當?shù)?二磁性固定層170與磁性自由層150的磁性方向不同時，則磁性穿遂結堆疊 結構(MTJ) 200具有大電阻。反之，當?shù)诙判怨潭▽?70與磁性自由層 150的磁性方向相同時，則磁性穿遂結堆疊結構(MTJ) 200具有小電阻。 大電阻及小電阻分別代表"0"、 "1"，改變磁性自由層150的磁性方向即可 寫入"0"或T于磁性存儲器100中。
更詳細地說，磁性存儲器100還包括第一反鐵磁層(First Antiferromagnetic Layer )120、第二反鐵石茲層(Second Antiferromagnetic Layer ) 180及阻障層(Barrier Layer) 140。第 一反鐵磁層120相鄰于第 一磁性固定 層130，用以固定第一^f茲性固定層130為第一^f茲性方向Ml。第二反4失^t層 180相鄰于第二》茲性固定層170,用以固定第二石茲性固定層170為第二石茲性 方向M2。阻障層140則設置于第一磁性固定層130及磁性自由層150之間， 用以避免第一磁性固定層130及磁性自由層150的磁性互相影響。此外，磁性存儲器100還包括底導電層370、底接觸層310、第一導電 層320、第二導電層330、漏極區(qū)340、源極區(qū)350及柵極區(qū)360。柵極區(qū)360 設置于漏極區(qū)340及源極區(qū)350之間。第二導電層330電性連接于源極區(qū) 350。第二反鐵磁層180則透過底導電層370、底接觸層310及第一導電層 320電性連接至漏極區(qū)370。
如上所述，改變磁性自由層150的磁性方向即可寫入"0"或"1"于磁 性存儲器100中。以下更搭配流程圖及各步驟示意圖說明如下。
請參照圖2，其繪示依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的磁性存儲器100的寫入方 法的流程圖。磁性存儲器100的寫入方法至少包括以步驟S201及步驟S202。 步驟S201施加外加^茲場MF于^茲性自由層150 (外加》茲場MF繪示于圖3B 及圖4B中)。步驟S202提供第一電子流El通過磁性自由層150，以磁化磁 性自由層150為第一》茲性方向Ml或第二-茲性方向M2。(為了方便說明，本 實施例是以電子流及其流動方向i兌明。當然亦可以電流及其相反的流動方向 來敘述)當磁性自由層150磁化為第一磁性方向Ml時，第二磁性固定層170 與磁性自由層150的磁性方向不同。因此，磁性穿遂結堆疊結構(MTJ) 200 具有大電阻，即代表"0"。當磁性自由層150磁化為第二磁性方向M2時， 第二磁性固定層170與磁性自由層150的磁性方向相同。因此，磁性穿遂結 堆疊結構(MTJ) 200具有小電阻，即代表"1"。
其中，在本實施例中，^磁性存儲器100的寫入方法同時執(zhí)行步驟S201 及步驟S202。透過步驟S201的輔助，在步驟S202的執(zhí)行過程中，第一電 子流E1可降低至一定程度，大幅增加操作上的方便性。然磁性存儲器100 的寫入方法并不局限同時執(zhí)行步驟S201及步驟S202，只要步驟S201的執(zhí) 行時間與步驟S202的執(zhí)行時間有部分重疊即可。
在本實施例中，磁性存儲器IOO還包括第一字線IIO及第二字線190。 第一字線110電性連接于第一反鐵磁層120，第二字線190與第一反鐵磁層 120、第一磁性固定層130、阻障層140、磁性自由層150、間隔層160、第 二磁性固定層170及第二反鐵磁層180電性隔離。上述的步驟S201及步驟 S202分別透過第一字線IIO及第二字線190驅動。為了更清楚說明本發(fā)明的 寫入方法，以下更以圖2搭配各步驟流程圖詳細地說明磁性存儲器寫入"0" 與"1"的過程。
請參照圖3A-3B，其繪示磁性存儲器IOO寫入"0"的過程示意圖。如圖3A所示，不論》茲性存儲器100處于"0"或'T，的狀態(tài)，皆可透過圖2 的步驟S201及步驟S202寫入"0"。
接著，如圖3B所示，控制第二電子流E2以第一方向(入紙方向)通過 第二字線190。當?shù)诙娮恿鱁2通過第二字線190時，在第二字線190的 周圍將產生一外加石茲場MF，其中外加》茲場MF的方向與第一磁性方向Ml 相同。
同時，注入第一電子流E1于第一字線110。第一電子流E1由第一》茲性 固定層130通過磁性自由層150,以使磁性自由層150磁化為第一磁性方向 Ml。由此，在》茲性穿遂結堆疊結構(MTJ) 200中，第二^茲性固定層170與 磁性自由層150的磁性方向不同，則磁性穿遂結堆疊結構(MTJ) 200具有 大電阻。也就是說，》茲性存儲器100已透過步驟S201及步驟S202寫入"0"。
其中，第二電子流E2所形成的外加磁場MF并非用以磁化磁性自由層 150的；茲性方向，僅用以輔助-茲性自由層150》茲化》茲性方向用。因此，此外 加磁場MF僅需與磁性自由層150欲磁化的方向相同，而不需大于磁性自由 層150的矯頑場(Coercivity Field )。在本實施例中，磁性自由層150的矯頑 場約為50奧斯特(Oersteds, Oe ),而外加;茲場MF僅需15奧斯特。
磁性存儲器100在寫入模式時，第一電子流El的臨界電子流密度 (Critical Current Density)義可以下列方程式運算得知
、、
V0
五=豐..............................(1)
2
其中，r為溫度(Temperature) ， rp為寫入脈沖時間(Programming Pulse Time), r。為臨界脈沖時間(Critical Pulse Time )， J。。為常數(shù)。￡為能量,Mv 為々包和石茲化強度(Saturation Magnetization ), K為總體積(Total Volume )， 為異向性能量(Anisotropic Energy)。式(1)經(jīng)過轉換后，可得
人=
2e
離,+ i^ +2成).................................(2 )
其中， 及力為常數(shù)，？/為鐵磁性材料的磁性極化量(Magnetic
Polarization of Ferromagnetic Material )， 為夕卜力口石茲場MF的能量。 式(2)經(jīng)過化簡后可得
厶ocC,(/Z + C2)...................................................... ( 3 )
其中，C,及q為常數(shù)。也就是說，外加磁場MF的能量"正比于第一電子流E1的臨界電子流密度厶。本實施例在寫入"0"于磁性存儲器100的過 程中，透過步驟S201及步驟S202,即可使外加磁場MF的能量/Z效果加乘 于第一電子流E1的臨界電子流密度厶。因此，在^t性存儲器100的寫入過 程中，可大幅降低第一字線110的第一電子流E1的負荷。
請參照圖4A 4B，其繪示磁性存儲器IOO寫入"1"的過程示意圖。另 一方面來說，如圖4A所示，不論磁性存儲器100處于"0"或'T'的狀態(tài)， 皆可透過圖2的步驟S201及步驟S202寫入"1"。
接著，如圖4B所示，控制第二電子流E2以第二方向(出紙方向)通過 第二字線190。當?shù)诙娮恿鱁2通過第二字線190時，在第二字線190的 周圍將產生外加石茲場MF，其中外加磁場MF的方向與第二,茲性方向M2相 同。
同時，注入第一電子流E1于第一字線110。第一電子流E1由第二^f茲性 固定層170通過磁性自由層150，以使磁性自由層150磁化為第二磁性方向 M2。由此，在》茲性穿遂結堆疊結構(MTJ) 200中，第二^f茲性固定層170與 》茲性自由層150的^茲性方向相同，則石茲性穿遂結堆疊結構(MTJ) 200具有 小電阻。也就是說，^磁性存儲器100已透過步驟S201及步驟S202寫入"1"。
其中，第二電子流E2所形成的外加/F茲場MF并非用以^磁化^f茲性自由層 150的磁性方向，僅用以輔助磁性自由層150磁化磁性方向用。因此，此外 加磁場MF僅需與磁性自由層150欲》茲化的方向相同，而不需大于磁性自由 層150的矯頑場。在本實施例中，磁性自由層150的矯頑場約為50奧斯特， 而外加》茲場MF <又需15奧斯特。
同理，本實施例在寫入"1"于磁性存儲器100的過程中，透過步驟S201 及步驟S202,即可使外加;茲場MF的能量/Z效果加乘于第一電子流E1的臨 界電子流密度厶。因此，在磁性存儲器IOO的寫入過程中，可大幅降低第一 字線110的第一電子流E1的負荷。
此外，本發(fā)明優(yōu)選實施例的^i性存儲器100雖以圖l為例做說明，然其 結構并非局限于此。并且磁性存儲器IOO的各層結構的材料與厚度亦不局限 于某種特定材料與厚度。
舉例來說，第一反鐵/磁層120及第二反鐵磁層180的材料為一種反鐵磁 材料，例如是鎂4失合金(FeMn)或鎂鉑合金(PtMn)，其厚度約為10nrn 200nm。第 一磁性固定層130及第二磁性固定層170的材料可以是鐵磁性材料或 反鐵磁性材料，鐵磁性材料包含鐵鈷合金(CoFe)、鐵鎳合金(NiFe)、鉑鈷 合金(CoPt )、鐵鈷硼合金(CoFeB )、鐵鈷合金/鐵鎳合金堆疊結構(CoFe/NiFe ) 或鐵鎳合金/鐵鈷硼合金堆疊結構(NiFe/CoFeB )。反鐵磁材料包含鐵鈷硼合 金/釕/鐵鈷硼合金堆疊結構(CoFeB/Ru/CoFeB )或鐵鈷合金/釕/鐵鈷合金堆 疊結構(CoFe/Ru/CoFe )。
間隔層160的材料例如是氧化鋁(A1203 )或氧化錳(MgO ),其厚度約 為0.7nm ~ 3nm。
磁性自由層150的材料的材料可以是鐵磁性材料，鐵磁性材料包含鐵鈷 合金(CoFe )、鐵鎳合金(NiFe )、鉑鈷合金(CoPt )、鐵鈷硼合金(CoFeB )、 鐵鈷合金/鐵鎳合金堆疊結構(CoFe/NiFe)或鐵鎳合金/鐵鈷硼合金堆疊結構 (NiFe/CoFeB ),其厚度約為lnm 20nm。
本發(fā)明上述實施例所披露的磁性存儲器100的寫入方法是通過外加磁場 MF以及第一電子流E1來改變》茲性自由層150的it性方向。,茲性存儲器100 的寫入過程中，通過外加》茲場MF的輔助，第一電子流E1可大幅降低。不 僅降低了磁性存儲器100的耗電量，更可避免電致遷移(Electronic Migration ) 的問題。使得磁性存儲器100的運作效率大幅提升。
綜上所述，雖然本發(fā)明已以一優(yōu)選實施例披露如上，然其并非用以限定 本發(fā)明。所屬技術領域的技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作 各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當視后附的權利要求所界定的 為準。
權利要求
1.一種磁性存儲器的寫入方法，該磁性存儲器包括第一磁性固定層、第二磁性固定層及磁性自由層，該第一磁性固定層固定于第一磁性方向，該第二磁性固定層固定于第二磁性方向，該磁性自由層可磁化為該第一磁性方向或該第二磁性方向，該寫入方法包括(a)施加外加磁場于該磁性自由層；以及(b)提供第一電子流通過該磁性自由層，以磁化該磁性自由層為該第一磁性方向或該第二磁性方向。
2. 如權利要求1所述的磁性存儲器的寫入方法，其中在該步驟(a)中， 該外加》茲場遠小于該》茲性自由層的矯頑場。
3. 如權利要求2所述的磁性存儲器的寫入方法，其中在該步驟(a)中， 該外加;茲場小于該》茲性自由層的矯頑場50奧斯特。
4. 如權利要求2所述的磁性存儲器的寫入方法，其中在該步驟(a)中， 該外加磁場小于三分之一的該磁性自由層的矯頑場。
5. 如權利要求1所述的磁性存儲器的寫入方法，其中該步驟(a)中， 該外加磁場的方向與該磁性自由層欲磁化的方向相同。
6. 如權利要求1所述的磁性存儲器的寫入方法，其中該磁性存儲器還包 括第二字線，該步驟(a)提供第二電子流通過該第二字線，以形成該外加 磁場。
7. 如權利要求6所述的磁性存儲器的寫入方法，其中該步驟(a)中， 還包括(al )控制該第二電子流以第一方向通過該第二字線，以使該外加磁場 的方向與該第一^茲性方向相同；或(a2)控制該第二電子流以第二方向通過該第二字線，以使該外加磁場 的方向與該第二》茲性方向相同。
8. 如權利要求1所述的磁性存儲器的寫入方法，其中該步驟(b)中， 還包括(bl )控制該第一電子流由該第一磁性固定層通過該磁性自由層，以使 該磁性自由層磁化為該第 一磁性方向；或(b2)控制該第一電子流由該第二磁性固定層通過該磁性自由層，以使該磁性自由層磁化為該第二磁性方向。
9. 如權利要求1所述的磁性存儲器的寫入方法，其中該步驟(a)及該 步驟(b)同步進行。
10. 如權利要求1所述的磁性存儲器的寫入方法，其中該步驟(a)執(zhí)行 的時間及該步驟(b)沖丸行的時間至少部分重疊。
全文摘要
一種磁性存儲器的寫入方法。磁性存儲器包括第一磁性固定層、第二磁性固定層及磁性自由層。第一磁性固定層固定于第一磁性方向，第二磁性固定層固定于第二磁性方向。磁性自由層可磁化為第一磁性方向或第二磁性方向。寫入方法包括(a)施加外加磁場于磁性自由層；以及(b)提供第一電子流通過磁性自由層，以磁化磁性自由層為第一磁性方向或該第二磁性方向。
文檔編號G11C11/02GK101290796SQ20071019717
公開日2008年10月22日 申請日期2007年12月10日 優(yōu)先權日2007年4月17日
發(fā)明者何家驊 申請人:旺宏電子股份有限公司