专利名称：磁存储器件以及向磁存储器件写入数据的方法
技术领域：
本发明涉及一种存储器件，更具体而言，涉及一种具有高单元选择性且其中能够降低驱动电压的磁存储器件，以及向所述磁存储器件写入数据的方法。
背景技术：
磁存储器件包括磁隧道结(tunneling junction，MTJ)单元，所述磁隧道结单元具有作为存储节点的隧道层和设置在所述隧道层之上和之下的磁层。磁存储器件是采用MTJ单元的电阻特性写入位数据的非易失存储器件。
当MTJ单元的磁层的磁化方向相同时，MTJ单元具有低电阻。当磁层的磁化方向彼此相反时，MTJ单元具有高电阻。当MTJ单元具有低电阻时，可以认为向磁存储器件写入了例如1的预定位数据。此外，当MTJ单元具有高电阻时，可以认为向磁存储器件写入了例如0的预定位数据。
通过测量MTJ单元的电阻或电流，并将所述电阻或电流与参考值对比读取通过这种方式写入到磁存储器件内的位数据。
已经有人提出了具有这种工作特性的各种磁存储器件(下文称为常规磁存储器件)，图1示出了其实例。
图1是常规磁存储器件的横截面图。参考图1，在半导体衬底10上设置栅电极G。分别在半导体衬底10上的栅电极G和与栅电极G相邻的两个场氧化层(未示出)之间形成源极区和漏极区S和D。栅电极G以及源极区和漏极区S和D构成了场效应晶体管(下文称为晶体管)。数位线DL存在于与栅电极G分隔预定垂直距离的位置。由数位线(digit line)DL形成磁RAM的写入操作所需的部分磁场。以层间电介质(ILD)层12覆盖数位线DL和晶体管。通孔h1存在于ILD层12内，由导电芯杆14填充通孔h1。导电焊盘16存在于ILD层12上。导电焊盘16覆盖导电芯杆14的上表面，并且一直延伸预定距离到达数位线DL。MTJ单元18设置在导电焊盘16的预定区域上。MTJ单元18设置于数位线DL的正上方。覆盖导电焊盘16和MTJ单元18的ILD层20存在于ILD层12上。在ILD层12内形成通过其暴露MTJ单元18的上表面的通孔h2。填充通孔h2位线22存在于ILD层20上。
图2示出了图1所示的常规磁RAM的写入和读取操作的电流的流动。在图2中，虚线A1表示写入操作中的电流路径，细点划线A2表示读出操作中的电流路径。
参考图2，在写入操作中电流流过选中的位线BL。因此，即使通过选定的字线WL选择了将要写入的单元，由流过选定的位线BL产生的磁场也会影响选定的MTJ单元18和未选定的连接至选定的位线BL的其他MTJ单元(未示出)。因而，向未选定的其他MTJ单元写入不希望的数据的可能性高。在常规磁RAM中，这表示MTJ单元选择性低。
发明内容
本发明提供了一种其中能降低驱动电压的具有高单元选择性的磁存储器件。
根据本发明的一方面，提供了一种磁存储器件，所述磁存储器件包括界定多个单位单元区域的多条字线和多条位线；设置于每一单位单元区域内的晶体管；以及磁隧道结(MTJ)元件，其与晶体管形成组合，并且具有MTJ单元以及位于所述MTJ单元的两侧的形成磁场的第一和第二焊盘层，其中，每一晶体管的漏极连接至对应的单元区域内的第一焊盘层，其源极连接至相邻的单位单元区域内的第二焊盘层，且每一晶体管的栅极连接至对应的单位单元区域内的对应的字线，其漏极连接至对应的单位单元区域内的位线。
根据本发明的另一方面，提供了一种向磁存储器件内写入数据的方法，所述方法包括以在所述磁存储器件的一条字线上的选定存储区域内极化的形式向磁隧道结(MTJ)元件内写入数据，其中，通过位于对应的存储区域内的晶体管切换相对于MTJ元件的一侧的磁场，通过同一未选字线上的相邻单元的晶体管切换相对于MTJ单元的另一侧的磁场。
可以通过流经对应单元区域内的晶体管的第一电流形成由对应的单元区域内的晶体管切换的磁场，并且可以通过流经对应的单元区域内的MTJ单元的第二电流形成由相邻单元内的晶体管切换的磁场。
所述第一和第二焊盘层的厚度可以小于100nm。所述位线和所述MTJ单元可以彼此间隔至少300nm的缝隙。根据本发明，能够增强MTJ单元的选择性，降低磁存储器件的驱动功率。
通过参考附图详细描述其示范性实施例，本发明的以上和其他特征和优势将变得更加显见，附图中图1是常规磁存储器件的横截面图；图2是当图1的磁存储器件工作时，流过磁存储器件的电流路径的横截面图。
图3是根据本发明实施例的存储器件的等效电路图。
图4是说明根据本发明另一实施例的存储器件的主要元件的示意性布局的立体图。
图5是用于理解图4的存储器件的，基于电流路径的字线的元件的布局的延伸视图。
图6A和图6B是根据本发明的磁存储器件的磁隧道结(MTJ)单元的示意性构造的提取(extracted)透视图和横截面图。
图7是说明向根据本发明实施例的磁存储器件写入数据的方法的等效电路图；以及图8是说明从根据本发明实施例的磁存储器件读取数据的方法的等效电路图。
具体实施例方式
现在将参考附图更为充分地描述本发明，附图中展示了本发明的示范性实施例。在附图中，为了清晰起见夸大了层和区域的厚度。
现在，将说明据本发明实施例的磁存储器件(下文称为根据本发明的存储器件)。
图3是根据本发明实施例的存储器件的等效电路图，图4是说明根据本发明另一实施例的存储器件的主要元件的示意性构造的立体图。
参考图3，在X-Y矩阵上沿横向设置位线B1、B2、B3、B4...Bm，沿纵向设置字线W1、W2、W3...Wn，由位线和字线界定单位单元区域。
在由位线B1、B2、B3、B4...Bm和字线W1、W2、W3...Wn界定的每一单位单元区域内设置晶体管30和MTJ元件40。这里，MTJ元件40包括MTJ单元41以及第一和第二焊盘层(图4的42和43)，所述第一和第二焊盘层形成于MTJ单元41的两侧(图中的上侧和下侧)，它们形成了MTJ元件41的极化所需的磁场。在每一单位单元区域内将晶体管TR的有源层和MTJ元件40串连，在所有的单位单元区域内重复形成这一连接结构。因此，其栅极连接至字线W1到Wn之一的每一晶体管TR和MTJ元件40重复地相互串连。晶体管30的漏极和MTJ单元40的连接节点连接至相邻的位线B1到Bm，每一晶体管的源极通过相邻的另一单位单元区域内的MTJ元件40电连接至位线B1到Bm。
参考示出了根据本发明实施例的存储器件的图4，平行设置晶体管30的有源层。在这种情况下，相邻的有源层具有沿不同方向互相交叉的源极S和漏极D。在两个相邻的有源层30的漏极D和源极S内垂直形成芯杆(plug)62和63。在每一芯杆62和63上设置MTJ元件的第一焊盘层42和第二焊盘层43。相对的第一和第二焊盘层42和43相互平行，MTJ单元41插置于其间。在第二焊盘层43上形成芯杆63。芯杆63连接至第二焊盘层43上的位线50。根据本实施例，第一和第二焊盘层42和43的厚度可以小于100nm，其宽度可以小于100nm。位线50和与位线50相邻的第二焊盘层43可以彼此间隔至少300nm的缝隙。
图5是用于理解图4所示的存储器件的，以曲折形状(zigzag shape)设置的晶体管30和MTJ元件40的示意性截面图。在图5中，每一晶体管的栅极G对应于由虚线表示的单根字线。如图5所示，晶体管30和MTJ元件相互串连，类似MTJ-TR-MTJ-...-TR。将用于连接源极S和MTJ元件40的部分通过芯杆44连接至位线50。
就电路而言，具有上述结构的存储器件与常规存储器件不同，因而需要相应的数据写入和复制方法。
图6A和6B分别是根据本发明的磁存储器件的MTJ元件40的提取透视图和横截面图，它们示出了通过第一和第二焊盘层42和43写入数据的电流路径。
在相互平行的第一和第二焊盘层42和43之间设置MTJ单元41。MTJ单元41设置于第二焊盘层43的中央和第一焊盘层42的一端(图示的右端)之间。在第二焊盘层43的两侧设置连接至位线(未示出)的芯杆63和连接至另一单元区域内的源极(未示出)的芯杆33。在第一焊盘层42的另一端下设置将成为晶体管(未示出)的漏极的芯杆61。电流流经Ia和Ib两个路径。其中一个是通过晶体管、第一焊盘层42、MTJ单元40和第二焊盘层43的路径。另一个是通过芯杆33的第二路径，芯杆33连接至另一单元区域内的晶体管和第二焊盘层43。因而，有助于将数据存储在MTJ单元41内的电流是通过两个路径的电流之和(Ia+Ib)。流经这两个路径的电流形成于MTJ单元41的两侧(图中的上侧和下侧)，因此以低电流也形成了MTJ单元41所需的磁场。这里，磁场与位线和连接至所述位线的芯杆隔开。因此，由位线导致的磁场不影响MTJ单元41。
在图6A和图6B中，Ha和Ea分别代表MTJ单元41的难磁化轴方向(hardaxis)和易磁化轴(easy axis)方向。在使MTJ单元41的磁极化沿易磁化轴Ea方向对准时，即使在去除磁场之后也能稳定地保持对准状态。另一方面，在使MTJ单元41的磁极化沿难磁化轴Ha方向对准时，对准状态返回至其初始状态，或转换至Ea方向。电流流经图6B所示的电流路径Ia和Ib，或者流经与电流路径Ia和Ib相反的方向。在第一和第二焊盘层42和43附近生成影响MTJ单元41的本地区域(local region)的处于Ea方向的磁场H1和H2。通过磁场H1和H2使MTJ单元41的磁极化沿Ea方向对准。这里，不是由电流Ia和Ib之一使极化发生反转，而是由两电流Ia和Ib之和使之发生反转。也就是说，电流Ia和Ib应当小于磁化所需的最小电流。电流Ia和Ib之和应当大于所述最小电流。
现在将描述通过其感应出电流的驱动存储器件的整个方法。在通过磁场将数据写入存储器件的选定MTJ单元40时，选择一条字线和三条位线。在这种情况下，将数据存储到直接连接至中央位线的MTJ单元40内。
参考图7，在将数据存储到MTJ单元内时，总是选择Bi-1、Bi和Bi+1(其中i是自然数)。其内产生极化的MTJ单元是单位单元区域内对应于中央位线Bi的MTJ单元(MTJb)。如果在断开(open)所述的一条字线时，将中间位线Bi接地，并向位线Bi两侧的位线Bi-1和Bi+1施加预定电流(或预定电压)，那么将产生两个电流路径Ia和Ib。出于解释的便利性，认为对应于每一位线的单元区域位于位线的左侧。因此，第一路径Ia上的电流经由相邻的单位单元区域(位于图中左侧)中的MTJ单元40a，通过位于对应的单元区域内的晶体管TRa以及位于MTJ单元40的一侧的焊盘层流经对应的位线Bi。第二路径Ib上的电流经由位线Bi+1和位于相邻的单位单元区域(位于图中右侧)内的晶体管TRb流经MTJ单元40的单元(MTJb)。因此，在两个路径Ia和Ib的电流的作用下，在选定的位线的MTJ单元40内产生极化，从而将数据存储在MTJ单元40内。但是，如果电流仅流经位于选定位线的两侧的位线的MTJ单元40中的一条路径时，则不会在电流的作用下产生极化。
图8示出了读取通过上述方法存储的数据的方法。例如，为了从一个单位存储区域获得位信息，则选择对应的位线Bi和对应的字线。同时，选择相邻的位线中的位线Bi+1，对应晶体管的漏极连接至其上(位于图中的右侧)。因此，如果在断开对应的字线时，向选择的两条位线Bi和Bi+1施加预定电压，那么将产生通过对应的单位单元区域内的MTJ 41b的电流Ic，并通过所述电流值获得位信息。
根据本发明的存储器件具有与常规存储器件不同的结构和向存储器件内写入数据的方法。与现有技术不同，MTJ单元与位线隔离，并且在MTJ单元的两侧提供形成磁场的焊盘层。在根据本发明的存储器件中未必需要常规数位线，但总之可以添加常规数位线。
如上所述，根据本发明的磁存储器件是一种用于控制MTJ单元的自由磁层的磁极化强度(magnetic polarization)的器件。在MTJ单元的两侧形成焊盘层，并将用于在MTJ单元内形成磁场的电流路径划分到两个晶体管当中。
根据本发明的磁存储器件通过这种方式写入数据，其未采用在位线中产生的磁场，而是采用了在接触MTJ单元的两侧的焊盘层中产生的磁场。因此，在这一过程中，只能将位数据写入选定的MTJ单元内，并且能够防止将位数据写入未选的MTJ单元内。这表明根据本发明的磁存储器件具有高选择性。此外，产生两个电流路径，从而将电流划分到两个晶体管中，从而降低了晶体管的电流负载。
此外，上部和下部电极焊盘层的厚度小(小于100nm)，其宽度也小(小于100nm)。因此，能够增强所述焊盘层的每单位电流产生的磁场的强度。这表明能够降低用于记录位数据的电流。因而，能够降低磁存储器件的驱动功率。
尽管已经参考其示范性实施例特别展示和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将要理解，可以在其中做出多种形式和细节上的变化而不脱离由权利要求所限定的本发明的精神和范围。例如，可以改变数位线的构造，第一和第二焊盘层42和43可以是多层，或者，形成第一和第二焊盘层42和43的材料可以由本领域普通技术人员指定。此外，可以在位线和焊盘层之间额外提供屏蔽装置，用于改善由位线产生的磁场的阻断效应(blockingeffect)。
权利要求
1.一种磁存储器件，包括界定多个单位单元区域的多条字线和多条位线；设置于每一所述单位单元区域内的晶体管；以及磁隧道结元件，其与晶体管形成组合，并且具有磁隧道结单元以及位于所述磁隧道结单元的两侧的形成磁场的第一和第二焊盘层，其中，每一晶体管的漏极连接至对应的单元区域内的所述第一焊盘层，其源极连接至相邻的单位单元区域内的所述第二焊盘层，且每一晶体管的栅极连接至对应的单位单元区域内的对应的字线，其漏极连接至对应的单位单元区域内的位线。
2.根据权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述第一和第二焊盘层的厚度小于100nm。
3.根据权利要求1所述的磁存储器件，其中，所述位线和所述磁隧道结单元彼此间隔至少300nm的缝隙。
4.根据权利要求2所述的磁存储器件，其中，所述位线和所述磁隧道结单元彼此间隔至少300nm的缝隙。
5.一种向磁存储器件写入数据的方法，所述方法包括以在所述磁存储器件的一条字线上的选定存储区域内极化的形式向磁隧道结元件内写入数据，其中，通过位于对应的存储区域内的晶体管切换相对于所述磁隧道结元件的一侧的磁场，通过同一未选字线上的相邻单元的晶体管切换相对于磁隧道结单元的另一侧的磁场。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过流经对应单元区域内的晶体管的第一电流形成由对应的单元区域内的晶体管切换的磁场，且通过流经对应的单元区域内的磁隧道结单元的第二电流形成由相邻单元内的晶体管切换的磁场。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一和第二电流之和具有大于所述磁隧道结元件的磁化所需的最小电流的值，且每一所述第一和第二电流均具有小于所述最小电流的值。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一和第二电流之和具有大于所述磁隧道结元件的磁化所需的最小电流的值，且每一所述第一和第二电流均具有小于所述最小电流的值。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述磁存储器件包括界定多个单位单元区域的多条字线和多条位线；设置于每一单位单元区域内的晶体管；以及磁隧道结元件，其与晶体管形成组合，并且具有磁隧道结单元以及位于所述磁隧道结单元的两侧的形成磁场的第一和第二焊盘层，其中，每一晶体管的漏极连接至对应的单元区域内的第一焊盘层，其源极连接至相邻的单位单元区域内的所述第二焊盘层，且每一晶体管的栅极连接至对应的单位单元区域内的对应的字线，其漏极连接至对应的单位单元区域内的位线。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述磁存储器件包括界定多个单位单元区域的多条字线和多条位线；设置于每一单位单元区域内的晶体管；以及磁隧道结元件，其与晶体管形成组合，并且具有磁隧道结单元以及位于所述磁隧道结单元的两侧的形成磁场的第一和第二焊盘层，其中，每一晶体管的漏极连接至对应的单元区域内的第一焊盘层，其源极连接至相邻的单位单元区域内的所述第二焊盘层，且每一晶体管的栅极连接至对应的单位单元区域内的对应的字线，其漏极连接至对应的单位单元区域内的位线。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一和第二焊盘层的厚度小于100nm。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一和第二焊盘层的厚度小于100nm。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述位线和所述磁隧道结单元彼此间隔至少300nm的缝隙。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述位线和所述磁隧道结单元彼此间隔至少300nm的缝隙。
15.根据权利要求7所述的方法，其中，所述磁存储器件包括界定多个单位单元区域的多条字线和多条位线；设置于每一单位单元区域内的晶体管；以及磁隧道结元件，其与晶体管形成组合，并且具有磁隧道结单元以及位于所述磁隧道结单元的两侧的形成磁场的第一和第二焊盘层，其中，每一晶体管的漏极连接至对应的单元区域内的第一焊盘层，其源极连接至相邻的单位单元区域内的所述第二焊盘层，且每一晶体管的栅极连接至对应的单位单元区域内的对应的字线，其漏极连接至对应的单位单元区域内的位线。
16.根据权利要求8所述的方法，其中，所述磁存储器件包括界定多个单位单元区域的多条字线和多条位线；设置于每一单位单元区域内的晶体管；以及磁隧道结元件，其与晶体管形成组合，并且具有磁隧道结单元以及位于所述磁隧道结单元的两侧的形成磁场的第一和第二焊盘层，其中，每一晶体管的漏极连接至对应的单元区域内的第一焊盘层，其源极连接至相邻的单位单元区域内的所述第二焊盘层，且每一晶体管的栅极连接至对应的单位单元区域内的对应的字线，其漏极连接至对应的单位单元区域内的位线。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一和第二焊盘层的厚度小于100nm。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一和第二焊盘层的厚度小于100nm。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述位线和所述磁隧道结单元彼此间隔至少300nm的缝隙。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述位线和所述磁隧道结单元彼此间隔至少300nm的缝隙。
全文摘要
提供了一种磁存储器件以及向所述磁存储器件写入数据的方法。所述磁存储器件包括界定多个单位单元区域的多条字线和多条位线；设置于每一单位单元区域内的晶体管；以及磁隧道结(MTJ)元件，其与晶体管形成组合，并且具有MTJ单元以及位于所述MTJ单元的两侧的形成磁场的第一和第二焊盘层，其中，每一晶体管的漏极连接至对应的单元区域内的第一焊盘层，其源极连接至相邻的单位单元区域内的第二焊盘层，以及每一晶体管的栅极连接至对应的单位单元区域内的对应的字线，其漏极连接至对应的单位单元区域内的位线。
文档编号G11C11/15GK101026176SQ200610136108
公开日2007年8月29日 申请日期2006年10月11日 优先权日2006年2月22日
发明者金泰完, 黄仁俊, 曹永真, 金起园 申请人:三星电子株式会社