专利名称：磁性存储器的写入方法
技术领域：
本发明涉及一种存储器的写入方法，且特别涉及一种磁性存储器
(Magnetic Random Access Memory ， MRAM)的写入方法。
背景技术：
随着消费性电子产品的广泛应用，消费者对于存储器的要求曰趋严苛， 不论是对于存储器的耗电量、成本、读写速度或是重复擦写次数，均有愈来 愈高的要求。因此，近年来有愈来愈多追求不同市场区隔的新式存储器技术 陆续推出，希望能突破目前存储器的各项限制，成为新一代存储器的主流技 术。
目前常见的存储器包括动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory, DRAM )、快闪存储器(Flash Memory )、静态随机存取存储器(Static Random Access Memory, SRAM)及磁性存储器(Magnetic Random Access Memory, MRAM )。其中，磁性存储器(MRAM)为一种新颖的非挥发 (non-volatile)存储器，其非挥发特性与快闪存储器相同。且磁性存储器
(MRAM)不论在写入或读取速度均可媲美静态随机存取存储器(SRAM)。 磁性存储器(MRAM )的单位记忆面积更可与动态随机存取存储器(DRAM) 相抗衡。因此，磁性存储器已被公认为极具发展潜力新一代存储器。
在磁性存储器(MRAM)中，通过电流(或电子流)来进行自旋传输
(spin-transfer)写入数据，在写入数据时需要通以密度高达106~ 107A/cm2 的电流，方能改变存储单元的磁阻大小，不仅增加了存储器的耗电量，更凸 显了关于电致迁移(electron migration)的问题，影响了存储器运作的效率 及品质。因此，如何有效降低磁性存储器写入数据时的电流密度，实为目前 亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明涉及 一 种石兹性存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)的写入方法，其透过外加磁场以及第一电子流来改变磁性自由层的 磁性方向。磁性存储器的写入过程中，通过外加磁场的辅助，第一电子流可 大幅降低。不仅降低了磁性存储器的耗电量，更可避免电致迁移(Electronic Migration)的问题。使得磁性存储器的运作效率大幅提升。
根据本发明的一方面，提出一种磁性存储器的写入方法。磁性存储器包 括第 一磁性固定层、第二磁性固定层及磁性自由层。第 一磁性固定层固定于 第一磁性方向，第二磁性固定层固定于第二磁性方向。磁性自由层可磁化为 第一磁性方向或第二磁性方向。写入方法包括(a)施加外加磁场于磁性自 由层；以及(b)提供第一电子流通过磁性自由层，以磁化磁性自由层为第 一》兹性方向或该第二;兹性方向。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合 附图，作详细i兌明如下
图1绘示依照本发明优选实施例的磁性存储器的示意图2绘示依照本发明优选实施例的磁性存储器的写入方法的流程图3A 3B绘示磁性存储器写入"0"的过程示意图；及
图4A 4B绘示磁性存储器写入"1"的过程示意图。
附图标记说明
100:磁性存储器110:第一字线
120:第 一反铁磁层130:第一石兹性固定层
140:阻障层150:磁性自由层
160:间隔层170:第二固定层
180:第二反铁磁层190:第二字线
200:磁性穿遂结堆叠结构310:底接触层
320:第一导电层330:第二导电层
340:漏极区350:源极区
360:栅极区370:底导电层
El:第一电子流E2:第二电子流
Ml:第一磁性方向M2:第二磁性方向
外加》兹场
具体实施例方式
以下提出 一实施例作为本发明的详细说明。然本发明的技术并不限制于 此，且此实施例是用以作为范例说明，并不会限缩本发明欲保护的范围。再 者，实施例中的图示亦省略不必要的元件，以清楚显示本发明的技术特点。
请同时参照图1及图2，图1绘示依照本发明优选实施例的磁性存储器
(Magnetic Random Access Memory, MRAM ) 100的示意图。图2绘示依照 本发明优选实施例的磁性存储器100的写入方法的流程图。如图l所示，磁 性存储器100至少包括第 一磁性固定层(First Magnetic Pinned Layer )130、 第二石兹性固定层(Second Magnetic Pinned Layer )170及》兹性自由层(Magnetic Free Layer) 150。第一;兹性固定层130固定于第一》兹性方向Ml，第二磁性 固定层170固定于第二磁性方向M2,磁性自由层150可磁化为第一磁性方 向Ml或第二;兹性方向M2。在图1中，i兹性自由层150的^f兹性方向以虛线 表示可以磁化为第一磁性方向Ml或第二磁性方向M2的其中之一。
其中，磁性存储器100还包括间隔层(Spacer Layer) 160，设置于第二 磁性固定层170及磁性自由层150之间。间隔层160的厚度大约为0.7纳米
(nm) ~3纳米(nm),使得电子可穿隧通过间隔层160。第二^兹性固定层 170、磁性自由层150及间隔层160即组成磁性穿隧结堆叠结构(Magnetic Tunnel Junction, MTJ ) 200。在磁性穿遂结堆叠结构(MTJ ) 200中，当第 二磁性固定层170与磁性自由层150的磁性方向不同时，则磁性穿遂结堆叠 结构(MTJ) 200具有大电阻。反之，当第二磁性固定层170与磁性自由层 150的磁性方向相同时，则磁性穿遂结堆叠结构(MTJ) 200具有小电阻。 大电阻及小电阻分别代表"0"、 "1"，改变磁性自由层150的磁性方向即可 写入"0"或T于磁性存储器100中。
更详细地说，磁性存储器100还包括第一反铁磁层(First Antiferromagnetic Layer )120、第二反铁石兹层(Second Antiferromagnetic Layer ) 180及阻障层(Barrier Layer) 140。第 一反铁磁层120相邻于第 一磁性固定 层130，用以固定第一^f兹性固定层130为第一^f兹性方向Ml。第二反4失^t层 180相邻于第二》兹性固定层170,用以固定第二石兹性固定层170为第二石兹性 方向M2。阻障层140则设置于第一磁性固定层130及磁性自由层150之间， 用以避免第一磁性固定层130及磁性自由层150的磁性互相影响。此外，磁性存储器100还包括底导电层370、底接触层310、第一导电 层320、第二导电层330、漏极区340、源极区350及栅极区360。栅极区360 设置于漏极区340及源极区350之间。第二导电层330电性连接于源极区 350。第二反铁磁层180则透过底导电层370、底接触层310及第一导电层 320电性连接至漏极区370。
如上所述，改变磁性自由层150的磁性方向即可写入"0"或"1"于磁 性存储器100中。以下更搭配流程图及各步骤示意图说明如下。
请参照图2，其绘示依照本发明优选实施例的磁性存储器100的写入方 法的流程图。磁性存储器100的写入方法至少包括以步骤S201及步骤S202。 步骤S201施加外加^兹场MF于^兹性自由层150 (外加》兹场MF绘示于图3B 及图4B中)。步骤S202提供第一电子流El通过磁性自由层150，以磁化磁 性自由层150为第一》兹性方向Ml或第二-兹性方向M2。(为了方便说明，本 实施例是以电子流及其流动方向i兑明。当然亦可以电流及其相反的流动方向 来叙述)当磁性自由层150磁化为第一磁性方向Ml时，第二磁性固定层170 与磁性自由层150的磁性方向不同。因此，磁性穿遂结堆叠结构(MTJ) 200 具有大电阻，即代表"0"。当磁性自由层150磁化为第二磁性方向M2时， 第二磁性固定层170与磁性自由层150的磁性方向相同。因此，磁性穿遂结 堆叠结构(MTJ) 200具有小电阻，即代表"1"。
其中，在本实施例中，^磁性存储器100的写入方法同时执行步骤S201 及步骤S202。透过步骤S201的辅助，在步骤S202的执行过程中，第一电 子流E1可降低至一定程度，大幅增加操作上的方便性。然磁性存储器100 的写入方法并不局限同时执行步骤S201及步骤S202，只要步骤S201的执 行时间与步骤S202的执行时间有部分重叠即可。
在本实施例中，磁性存储器IOO还包括第一字线IIO及第二字线190。 第一字线110电性连接于第一反铁磁层120，第二字线190与第一反铁磁层 120、第一磁性固定层130、阻障层140、磁性自由层150、间隔层160、第 二磁性固定层170及第二反铁磁层180电性隔离。上述的步骤S201及步骤 S202分别透过第一字线IIO及第二字线190驱动。为了更清楚说明本发明的 写入方法，以下更以图2搭配各步骤流程图详细地说明磁性存储器写入"0" 与"1"的过程。
请参照图3A-3B，其绘示磁性存储器IOO写入"0"的过程示意图。如图3A所示，不论》兹性存储器100处于"0"或'T，的状态，皆可透过图2 的步骤S201及步骤S202写入"0"。
接着，如图3B所示，控制第二电子流E2以第一方向(入纸方向)通过 第二字线190。当第二电子流E2通过第二字线190时，在第二字线190的 周围将产生一外加石兹场MF，其中外加》兹场MF的方向与第一磁性方向Ml 相同。
同时，注入第一电子流E1于第一字线110。第一电子流E1由第一》兹性 固定层130通过磁性自由层150,以使磁性自由层150磁化为第一磁性方向 Ml。由此，在》兹性穿遂结堆叠结构(MTJ) 200中，第二^兹性固定层170与 磁性自由层150的磁性方向不同，则磁性穿遂结堆叠结构(MTJ) 200具有 大电阻。也就是说，》兹性存储器100已透过步骤S201及步骤S202写入"0"。
其中，第二电子流E2所形成的外加磁场MF并非用以磁化磁性自由层 150的；兹性方向，仅用以辅助-兹性自由层150》兹化》兹性方向用。因此，此外 加磁场MF仅需与磁性自由层150欲磁化的方向相同，而不需大于磁性自由 层150的矫顽场(Coercivity Field )。在本实施例中，磁性自由层150的矫顽 场约为50奥斯特(Oersteds, Oe ),而外加;兹场MF仅需15奥斯特。
磁性存储器100在写入模式时，第一电子流El的临界电子流密度 (Critical Current Density)义可以下列方程式运算得知
、、
V0
五=豐..............................(1)
2
其中，r为温度(Temperature) ， rp为写入脉冲时间(Programming Pulse Time), r。为临界脉沖时间(Critical Pulse Time )， J。。为常数。￡为能量,Mv 为々包和石兹化强度(Saturation Magnetization ), K为总体积(Total Volume )， 为异向性能量(Anisotropic Energy)。式(1)经过转换后，可得
人=
2e
離,+ i^ +2成).................................(2 )
其中， 及力为常数，？/为铁磁性材料的磁性极化量(Magnetic
Polarization of Ferromagnetic Material )， 为夕卜力口石兹场MF的能量。 式(2)经过化简后可得
厶ocC,(/Z + C2)...................................................... ( 3 )
其中，C,及q为常数。也就是说，外加磁场MF的能量"正比于第一电子流E1的临界电子流密度厶。本实施例在写入"0"于磁性存储器100的过 程中，透过步骤S201及步骤S202,即可使外加磁场MF的能量/Z效果加乘 于第一电子流E1的临界电子流密度厶。因此，在^t性存储器100的写入过 程中，可大幅降低第一字线110的第一电子流E1的负荷。
请参照图4A 4B，其绘示磁性存储器IOO写入"1"的过程示意图。另 一方面来说，如图4A所示，不论磁性存储器100处于"0"或'T'的状态， 皆可透过图2的步骤S201及步骤S202写入"1"。
接着，如图4B所示，控制第二电子流E2以第二方向(出纸方向)通过 第二字线190。当第二电子流E2通过第二字线190时，在第二字线190的 周围将产生外加石兹场MF，其中外加磁场MF的方向与第二,兹性方向M2相 同。
同时，注入第一电子流E1于第一字线110。第一电子流E1由第二^f兹性 固定层170通过磁性自由层150，以使磁性自由层150磁化为第二磁性方向 M2。由此，在》兹性穿遂结堆叠结构(MTJ) 200中，第二^f兹性固定层170与 》兹性自由层150的^兹性方向相同，则石兹性穿遂结堆叠结构(MTJ) 200具有 小电阻。也就是说，^磁性存储器100已透过步骤S201及步骤S202写入"1"。
其中，第二电子流E2所形成的外加/F兹场MF并非用以^磁化^f兹性自由层 150的磁性方向，仅用以辅助磁性自由层150磁化磁性方向用。因此，此外 加磁场MF仅需与磁性自由层150欲》兹化的方向相同，而不需大于磁性自由 层150的矫顽场。在本实施例中，磁性自由层150的矫顽场约为50奥斯特， 而外加》兹场MF <又需15奥斯特。
同理，本实施例在写入"1"于磁性存储器100的过程中，透过步骤S201 及步骤S202,即可使外加;兹场MF的能量/Z效果加乘于第一电子流E1的临 界电子流密度厶。因此，在磁性存储器IOO的写入过程中，可大幅降低第一 字线110的第一电子流E1的负荷。
此外，本发明优选实施例的^i性存储器100虽以图l为例做说明，然其 结构并非局限于此。并且磁性存储器IOO的各层结构的材料与厚度亦不局限 于某种特定材料与厚度。
举例来说，第一反铁/磁层120及第二反铁磁层180的材料为一种反铁磁 材料，例如是镁4失合金(FeMn)或镁鉑合金(PtMn)，其厚度约为10nrn 200nm。第 一磁性固定层130及第二磁性固定层170的材料可以是铁磁性材料或 反铁磁性材料，铁磁性材料包含铁钴合金(CoFe)、铁镍合金(NiFe)、铂钴 合金(CoPt )、铁钴硼合金(CoFeB )、铁钴合金/铁镍合金堆叠结构(CoFe/NiFe ) 或铁镍合金/铁钴硼合金堆叠结构(NiFe/CoFeB )。反铁磁材料包含铁钴硼合 金/钌/铁钴硼合金堆叠结构(CoFeB/Ru/CoFeB )或铁钴合金/钌/铁钴合金堆 叠结构(CoFe/Ru/CoFe )。
间隔层160的材料例如是氧化铝(A1203 )或氧化锰(MgO ),其厚度约 为0.7nm ~ 3nm。
磁性自由层150的材料的材料可以是铁磁性材料，铁磁性材料包含铁钴 合金(CoFe )、铁镍合金(NiFe )、铂钴合金(CoPt )、铁钴硼合金(CoFeB )、 铁钴合金/铁镍合金堆叠结构(CoFe/NiFe)或铁镍合金/铁钴硼合金堆叠结构 (NiFe/CoFeB ),其厚度约为lnm 20nm。
本发明上述实施例所披露的磁性存储器100的写入方法是通过外加磁场 MF以及第一电子流E1来改变》兹性自由层150的it性方向。,兹性存储器100 的写入过程中，通过外加》兹场MF的辅助，第一电子流E1可大幅降低。不 仅降低了磁性存储器100的耗电量，更可避免电致迁移(Electronic Migration ) 的问题。使得磁性存储器100的运作效率大幅提升。
综上所述，虽然本发明已以一优选实施例披露如上，然其并非用以限定 本发明。所属技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作 各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的 为准。
权利要求
1.一种磁性存储器的写入方法，该磁性存储器包括第一磁性固定层、第二磁性固定层及磁性自由层，该第一磁性固定层固定于第一磁性方向，该第二磁性固定层固定于第二磁性方向，该磁性自由层可磁化为该第一磁性方向或该第二磁性方向，该写入方法包括(a)施加外加磁场于该磁性自由层；以及(b)提供第一电子流通过该磁性自由层，以磁化该磁性自由层为该第一磁性方向或该第二磁性方向。
2. 如权利要求1所述的磁性存储器的写入方法，其中在该步骤(a)中， 该外加》兹场远小于该》兹性自由层的矫顽场。
3. 如权利要求2所述的磁性存储器的写入方法，其中在该步骤(a)中， 该外加;兹场小于该》兹性自由层的矫顽场50奥斯特。
4. 如权利要求2所述的磁性存储器的写入方法，其中在该步骤(a)中， 该外加磁场小于三分之一的该磁性自由层的矫顽场。
5. 如权利要求1所述的磁性存储器的写入方法，其中该步骤(a)中， 该外加磁场的方向与该磁性自由层欲磁化的方向相同。
6. 如权利要求1所述的磁性存储器的写入方法，其中该磁性存储器还包 括第二字线，该步骤(a)提供第二电子流通过该第二字线，以形成该外加 磁场。
7. 如权利要求6所述的磁性存储器的写入方法，其中该步骤(a)中， 还包括(al )控制该第二电子流以第一方向通过该第二字线，以使该外加磁场 的方向与该第一^兹性方向相同；或(a2)控制该第二电子流以第二方向通过该第二字线，以使该外加磁场 的方向与该第二》兹性方向相同。
8. 如权利要求1所述的磁性存储器的写入方法，其中该步骤(b)中， 还包括(bl )控制该第一电子流由该第一磁性固定层通过该磁性自由层，以使 该磁性自由层磁化为该第 一磁性方向；或(b2)控制该第一电子流由该第二磁性固定层通过该磁性自由层，以使该磁性自由层磁化为该第二磁性方向。
9. 如权利要求1所述的磁性存储器的写入方法，其中该步骤(a)及该 步骤(b)同步进行。
10. 如权利要求1所述的磁性存储器的写入方法，其中该步骤(a)执行 的时间及该步骤(b)冲丸行的时间至少部分重叠。
全文摘要
一种磁性存储器的写入方法。磁性存储器包括第一磁性固定层、第二磁性固定层及磁性自由层。第一磁性固定层固定于第一磁性方向，第二磁性固定层固定于第二磁性方向。磁性自由层可磁化为第一磁性方向或第二磁性方向。写入方法包括(a)施加外加磁场于磁性自由层；以及(b)提供第一电子流通过磁性自由层，以磁化磁性自由层为第一磁性方向或该第二磁性方向。
文档编号G11C11/02GK101290796SQ20071019717
公开日2008年10月22日 申请日期2007年12月10日 优先权日2007年4月17日
发明者何家骅 申请人:旺宏电子股份有限公司