理解为 对本发明的限制。
[0037] 图1是一种现有的磁记忆单元的结构示意图，其中磁记忆单元100包括磁电阻元 件101，W及与其串联的M0S管102,通过M0S管102的导通和截止来控制电流流向。本文中 所设及的磁电阻元件一般包括依次相邻设置的磁性参考层、隧道势垒层和磁性记忆层（即 组成MTJ)，对于上述各层的材料和结构（多层或单层）W及磁电阻元件中除上述Ξ层外的 其余膜层（如有）的设置，并非本发明的重点，在此不做限定；可W通过加载相应的电流来 改变磁电阻元件的电阻态。本实施例附图中的磁电阻元件一般采用Ξ层结构表示，仅是指 示其具有MTJ结构，并不排除磁电阻元件中还有其它膜层的情况。
[0038] 图2是本发明的一种交叉矩阵列式磁性随机存储器的磁记忆单元的结构示意图， 其中磁记忆单元200包括磁电阻元件201，W及与其串联的二极管202。磁电阻元件201包 含垂直型MTJ，具体表示为图2中磁电阻元件201的Ξ层结构，从上至下分别为磁性记忆层、 隧道势垒层和磁性参考层。磁记忆单元200通过二极管202的特性来控制电流流向，二极 管伏安特性曲线见图3,磁记忆单元200的读写方式如下：
[0039] 写操作（低阻态）：如图4所示，在磁记忆单元200上加载正向电压，当作用在二 极管202上的压降Vw+大于二极管202的正向导通电压时形成电流通路，流经磁记忆单元 200的电流，使磁电阻元件201的磁性记忆层在自旋转移矩作用下，磁化方向与磁性参考 层的磁化方向平行，从而磁电阻元件201置为低阻态。
[0040] 写操作（高阻态）：如图5所示，在磁记忆单元200上加载反向电压，当作用在二 极管202上的压降Vw-大于二极管202的反向击穿电压时形成电流通路，流经磁记忆单元 200的电流I胃，使磁电阻元件201的磁性记忆层在自旋转移矩作用下，磁化方向与磁性参考 层的磁化方向反平行，从而磁电阻元件201置为高阻态。
[0041] 读操作：如图6所示，在磁记忆单元200上加载正向电压，当作用在二极管202上 的压降化大于二极管202的正向导通电压时形成电流通路，其中电流Ir根据磁电阻元件 201的高低阻态呈现不同大小，从而实现了对于磁记忆单元200内存储信息的读取。
[0042] 图3中示出了加载在二极管202上的Vw+、Vw-和化，对于Vw+、Vw-不一定是相对 于纵轴I对称的，只需满足^和I胃的大小足W分别将磁电阻元件201设置为低阻态和高 阻态。化的取值小于Vw+，使Ir的大小不足W改变磁电阻元件201的电阻态，具体是当磁 电阻元件处于高阻态时不足W将其置为低阻态。
[0043] 图7示出了应用磁记忆单元200组成的交叉矩阵列式磁性随机存储器的结构示意 图，其中包括字线300和位线400,图7中仅示意性地示出了 3条字线和3条位线，分别是字 线301、302、303和位线401、402、403。字线300和位线400交叉设置，形成若干交叉节点 (图7中的结构具有9个节点）。每个节点处均设置有一个磁记忆单元，磁记忆单元的两端 分别与所在交叉节点处的相应字线和位线相连接，即如图7中所示的磁记忆单元200设置 在由字线302和位线402的交叉节点处，并且磁记忆单元200的两端分别连接字线302和 位线402。
[0044] 图8是图7所示的交叉矩阵列式磁性随机存储器的另一种结构示意图，其中磁记 忆单元200的磁电阻元件201靠近字线设置，二极管202靠近位线设置。从工艺结构来说， 即是磁电阻元件201在二极管202之后制备。
[0045] W上结构还可W进行诸多变换，包括（1)将磁电阻元件201和二极管202的位置 相交换，即二极管202在磁电阻元件201之后制备；（2)二极管202的PN结可W是P型在 上N型在下，也可W是N型在上P型在下；（3)磁电阻元件201中MTJ的各层的顺序由上至 下可W依次是磁性参考层、隧道势垒层和磁性记忆层，也可W是磁性记忆层、隧道势垒层和 磁性参考层；从而对于磁记忆单元即有8种不同的结构，如图9所示。
[0046] 对于图7和图8中各磁记忆单元的读写，只需通过在相应的字线和位线间加载读 写电压即可，读写方式如前所述，不再寶述。对于图9中各磁记忆单元的读写方式与前述 的读写方式类同，同样是基于二极管的伏安特性W及磁电阻元件在电流作用下的电阻态变 化。
[0047] 另一方面，为了进一步优化器件尺寸，本实施例中的二极管采用双层薄膜形成，如 淀积Si、Ge、SiGe或SiC等基材后，相应地渗杂III价元素或V价元素，从而形成PN结。并 且磁电阻元件也是基于多层薄膜堆叠形成的，从而可W在组成二极管和磁电阻元件的所有 薄膜淀积完成后，同时对上述多层薄膜进行光刻/刻蚀加工，一方面器件尺寸较之现有技 术大为缩小，另一方面磁电阻元件和二极管的图案化只需要使用一块掩膜版，提高忍片集 成度的同时也大大降低了成本。
[004引此外，在一个具有MXN个存储元的存储阵列中（M+N〉〉l)，即Μ条位线和N条字线， 如电流流向选择器的低电阻和高电阻分别为町和Κη，那么：
[0049]
[0050] 因此在本发明的交叉矩阵列式磁性随机存储器的设计过程中，对减少旁路漏电的 考虑是非常重要的。根据半导体理论，ΡΝ结上电流（I)与所施加在它上面的电压（V)有如 下关系：
[0051]
[0052] 其中指数中的η是所谓的理想因子（ideality化ctor)，与ΡΝ结材料缺陷及载流 子的复合有关。作为本发明中的应用，n〉l为佳（W保证I-V在正向导通后电流随电压有 一个比较缓和的变化率。另外I。是PN结的饱和或漏电电流，它与半导体材料的载流子浓 度（r〇、PN结接触面积（A)等因素有关：
[0053]
[0054] 为了二极管有一个较小的漏电电流，应该尽量采用载流子浓度（r〇较低的半导体 材料，及较小的PN结接触面积（A)。
[00巧]W上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无 需创造性劳动就可W根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术 人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可W得到的 技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【主权项】
1. 一种磁性随机存储器，其特征在于，包括若干第一向导线、与所述若干第一向导线间 隔且交叉设置的若干第二向导线，以及由所述若干第一向导线和所述若干第二向导线相互 交叉所限定的若干交叉节点；每个所述交叉节点均设置有磁记忆单元，所述磁记忆单元分 别与其所处交叉节点处的第一向导线和第二向导线电连接；所述磁记忆单元包括磁电阻元 件，以及与所述磁电阻元件电连接的二极管；所述磁电阻元件包括垂直型磁性隧道结，从而 所述磁电阻元件可通过流经其中的电流来改变其电阻态。2.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述二极管由淀积的薄膜所形 成。3.如权利要求2所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述二极管和所述磁电阻元件 的图案化使用同一块掩膜版。4.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述二极管的制备工序在所述 磁电阻元件之前。5.如权利要求1所述的磁性随机存储器，其特征在于，所述二极管的制备工序在所述 磁电阻元件之后。6.如权利要求1-5任一所述的磁性随机存储器的读写方法，其特征在于，对于任一交 叉节点的磁记忆单元采用以下读写操作： 写操作：在交叉节点所对应的第一向导线和第二向导线上加载写电压，产生的写电流 流经对应的磁电阻元件以改变其电阻态； 读操作：在交叉节点所对应的第一向导线和第二向导线上加载读电压，产生读电流，所 述读电流的大小不足以改变其所流经的磁电阻元件的电阻态。7.如权利要求6所述的读写方法，其特征在于，所述写操作时，所述写电压使二极管正 向导通或反向击穿。8.如权利要求6所述的读写方法，其特征在于，所述读电压使二极管正向导通。
【专利摘要】本发明提供了一种交叉矩阵列式磁性随机存储器，包括若干第一向导线、与所述若干第一向导线间隔且交叉设置的若干第二向导线，以及由所述若干第一向导线和所述若干第二向导线相互交叉所限定的若干交叉节点；每个所述交叉节点均设置有磁记忆单元，所述磁记忆单元分别与其所处交叉节点处的第一向导线和第二向导线电连接；所述磁记忆单元包括磁电阻元件，以及与所述磁电阻元件电连接的二极管；所述磁电阻元件包括垂直型磁性隧道结，从而所述磁电阻元件可通过流经其中的电流来改变其电阻态。本发明还提供了上述磁性随机存储器的读写方法。
【IPC分类】G11C11/15
【公开号】CN105448320
【申请号】CN201510667019
【发明人】肖荣福, 郭一民, 陈峻
【申请人】上海磁宇信息科技有限公司
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年10月15日