交叉矩阵列式磁性随机存储器及其读写方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及存储器件领域，尤其涉及一种交叉矩阵列式磁性随机存储器及其读写 方法。
【背景技术】
[0002] 近年来人们利用磁性隧道结（MTJ，MagneticTunnelJunction)的特性做成磁性 随机存储器，即为MRAM(MagneticRandomAccessMemory)。MRAM是一种新型固态非易失 性记忆体，它有着高速读写的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它 可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势皇层；磁性参考层，位于 隧道势皇层的另一侧，它的磁化方向是不变的。当磁性记忆层与磁性参考层之间的磁化强 度矢量方向平行或反平行时，MTJ元件的电阻态也相应分别为低阻态或高阻态。这样测量 MTJ元件的电阻态即可得到存储的信息。
[0003] 已有一种方法可以得到高的磁电阻（MR，MagnetoResistance)率：在非晶结构的 磁性膜的表面加速晶化形成一层晶化加速膜。当此层膜形成后，晶化开始从隧道势皇层一 侧形成，这样使得隧道势皇层的表面与磁性表面形成匹配，这样就可以得到高MR率。
[0004] 一般通过不同的写操作方法来对MRAM器件进行分类。传统的MRAM为磁场切换型 MRAM:在两条交叉的电流线的交汇处产生磁场，可改变MTJ元件的磁性记忆层的磁化强度 方向。自旋转移矩磁性随机存储器（STT-MRAM，Spin-transferTorqueMagneticRandom AccessMemory)则采用完全不同的写操作，它利用的是电子的自旋角动量转移，即自旋极 化的电子流把它的角动量转移给磁性记忆层中的磁性材料。磁性记忆层的容量越小，需要 进行写操作的自旋极化电流也越小。所以这种方法可以同时满足器件微型化与低电流密 度。STT-MRAM具有高速读写、大容量、低功耗的特性，有潜力在电子芯片产业，尤其是移动芯 片产业中，替代传统的半导体记忆体以实现能源节约与数据的非易失性。
[0005] 对于目前的面内型STT-MRAM(其中MTJ元件的易磁化方向在面内）来说，受面内 型MTJ元件的特性所限，单一元件尺寸一般较大，并且相邻MTJ元件需要有较大间距，以避 免相互间的磁场干扰。因此，限制了面内型STT-MRAM产品集成度的提升。
[0006] 垂直型磁性隧道结（PMTJ，PerpendicularMagneticTunnelJunction)即磁矩垂 直于衬底表面的磁性隧道结，在这种结构中，由于两个磁性层的磁晶各向异性比较强（不 考虑形状各向异性），使得其易磁化方向都垂直于层表面。在同样的条件下，元件尺寸可以 做得比面内型MTJ元件更小，易磁化方向的磁极化误差可以做的很小，并且MTJ元件尺寸的 减小使所需的切换电流也可相应减小。另一方面，在存储器阵列中，相邻垂直型MTJ的安 全间距较之面内型MTJ也可大为缩小。从而垂直型STT-MRAM(pSTT-MRAM，perpendicular Spin-transferTorqueMagneticRandomAccessMemory)较之面内型STT-MRAM，其集成 度有非常大的提升空间。
[0007] 但在现有的STT-MRAM结构中，每个记忆单元的MTJ元件通常会连接一个三极管作 为电流流向选择器，如使用M0S管，通过M0S管的导通和截止以实现电流导向，从而可以通 过相应的写电流来设置MTJ元件的高、低电阻态，也即写入了存储信息，以及根据读电流的 大小来判断MTJ元件的电阻态，也即读出了存储信息。
[0008] 对于面内型STT-MRAM来说，基于面内型MTJ元件的尺寸及其相互间距的要求，三 极管的尺寸不是提高面内型STT-MRAM集成度的主要瓶颈，或者说缩小三极管的尺寸，对于 面内型STT-MRAM集成度的提升程度有限。而对于垂直型STT-MRAM情况却恰恰相反，垂直 型MTJ元件的尺寸及其相互间距较之面内型MTJ元件已大为缩小，此时集成度的提升几乎 完全取决于三极管的尺寸大小，即使使用当前最先进的工艺（线宽），三极管的尺寸仍远大 于垂直型MTJ元件，同时三极管制造工艺相对也比较复杂，提高了产品的制造成本。
[0009] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种高集成、高性能、成本节省的STT-MRAM 广品。
【发明内容】
[0010] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种交叉矩阵列式磁性随机存储器， 其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串联连接的磁电阻元件、第一二极管和第二二极 管，并且所述第一二极管和所述第二二极管的极性连接方向相反，即向所述磁记忆单元加 载电压时，所述第一二极管和所述第二二极管中的一个被加载正向电压、另一个被加载反 向电压；所述磁电阻元件可通过流经其中的电流来改变其电阻态。
[0011] 进一步地，所述磁电阻元件包括面内型磁性隧道结或垂直型磁性隧道结。
[0012] 通常的面内型磁性隧道结包括：
[0013] 磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性平行于层表面；
[0014] 磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性平行于层表面；
[0015] 隧道势皇层，所述隧道势皇层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别 与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻。
[0016] 通常的垂直型磁性隧道结包括：
[0017] 磁性参考层，所述磁性参考层的磁化方向不变且磁各向异性垂直于层表面；
[0018] 磁性记忆层，所述磁性记忆层的磁化方向可变且磁各向异性垂直于层表面；
[0019] 隧道势皇层，所述隧道势皇层位于所述磁性参考层和所述磁性记忆层之间且分别 与所述磁性参考层和所述磁性记忆层相邻。
[0020] 进一步地，所述第一二极管和所述第二二极管由淀积的薄膜所形成。
[0021] 进一步地，所述第一二极管、所述第二二极管和所述磁电阻元件的图案化使用同 一块掩膜版。
[0022] 进一步地，所述第一二极管和所述第二二极管组成NPN管或PNP管，NPN管或PNP 管即可看作一对背靠背连接的二极管本发明还提供了上述磁性随机存储器的读写方法，其 中对于任一交叉节点的磁记忆单元采用以下读写操作：
[0023] 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；
[0024] 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，所述读电流不足以改变其所流经的磁电阻元件的电阻态。
[0025] 进一步地，所述写操作或读操作时，所述写电压使所述第一二极管和所述第二二 极管中的一个正向导通、另一个反向击穿。本文中所提到的二极管的反向击穿，限于在反向 电压去掉后二极管可以恢复到原始状态，而不会导致二极管击穿损坏。
[0026] 本发明提供了另一种交叉矩阵列式磁性随机存储器，其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、第一二极管和第二二极管，并且所述第一二极管的阴极、所述第 二二极管的阳极和所述磁电阻元件电连接，所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴 极电连接，即所述第一二极管和所述第二二极管的并联结构与所述磁电阻元件电连接；所 述磁电阻元件可通过流经其中的电流来改变其电阻态。
[0027] 进一步地，所述磁电阻元件包括面内型磁性隧道结或垂直型磁性隧道结。
[0028] 进一步地，所述第