[发明专利]磁性存储单元的直接写入方法与磁性存储单元结构

说明书

技术领域

本发明有关于一种磁性存储单元的技术，且特别有关于一种磁性存储单元的写入方法与结构。

背景技术

磁性存储器，例如磁性随机存取存储器(Magnetic Random AccessMemory，MRAM)也是一种非易失性存储器，有非易失性、高密集度、高读写速度、抗辐射线等优点。其是利用相邻隧穿绝缘层的磁性物质的磁化向量，由于平行或反平行的排列所产生磁阻的大小来记录0或1的数据。写入数据时，一般所使用的方法为两条电流线，例如位线(Bit Line，BL)及写入字线(Write Word Line，WWL)感应磁场所交集选择到的磁性存储器的存储单元。同时通过改变自由层磁化向量(Magnetization)方向，来更改其磁电阻值。而在读取存储数据时，让选择到的磁性存储单元流入电流，从读取的电阻值可以判定存储数据之数位值。

图1绘示磁性存储单元的基本结构。参阅图1，要存取磁性存储单元，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，又例如称为写入字线与位线。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)。利用磁阻的大小，来读取数据。又，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，是本领域普通技术人员可以了解，不继续描述。

图2绘示磁性存储器的存储机制。于图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，其中间由绝缘层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，反之磁矩方向107与磁矩方向108b反平行，其产生的磁阻例如代表“1”的数据。

一般，如图2的单层的自由层104c，会有存取错误的可能。针对上述等问题，为了降低邻近单元在写入数据时的干扰情形，传统技术的改进方式是将自由层以铁磁(FM)/非磁性金属(M)/铁磁(FM)三层结构取代单层铁磁材料，而构成磁性自由叠层166，其结构如图3所示。在非磁性金属层152上下的两层是铁磁性金属层150、154，以反平行排列，形成封闭的磁力线。在下面的磁性固定叠层168，通过隧穿绝缘层(tunnel barrier layer，T)156，与磁性自由叠层166隔开。磁性固定叠层168包括上固定层(top pinned layer，TP)158、非磁性金属层160、以及下固定层(bottom pinned layer，BP)162。在上固定层与下固定层有固定的磁化向量。另外还有基层164在底部，例如是反铁磁层。

针对三层结构的磁性自由叠层166，把位线BL与写入字线WWL相对自由叠层166的磁场异向轴(magnetic anisotropic axis)，使有45度的夹角，其磁场异向轴方向就是所谓的易轴(easy axis)方向。如此，位线BL与写入字线WWL可分别对自由叠层166，依照先后关系，施加与易轴夹角为45度的磁场，以旋转自由叠层166的磁化向量。存储单元所储存的数据是由铁磁性金属层154与上固定层158的二个磁化向量的方向来决定。

另外，除了将自由层改变为三层结构外，传统技术还提出以拴扣模式(toggle mode)的操作模式来旋转自由层的磁化向量。图4绘示外加磁场对三层结构的效应。参阅图4，粗箭头代表外加磁场，其长度代表大小。二个细箭头代表在自由叠层的上下铁磁层的二个磁化向量方向。当外加磁场太小时，二个磁化向量的方向不改变。当外加磁场大到一定程度时，二个磁化向量会有一张角。当外加磁场过大时，则二个磁化向量会沿着外加磁场的方向。拴扣模式的操作是属于上述的第二种情形。

图5绘示拴扣模式的外加磁场时序图。参阅图5，H1与H2代表与易轴方向隔45度的二个外加磁场方向，而椭圆内的二个箭头代表二个磁化向量的方向。在t₀阶段，没有外加磁场，因此二个磁化向量都在易轴方向上。接着，H1与H2的磁场随着图示的时序启动，得到不同时间阶段(t₁～t₃)的总磁场，而转动二个磁化向量的方向。在时间阶段t₄时，停止施加磁场，而二个磁化向量的方向被翻转一次。这就是说，存储单元所储存的数据被写入而改变。