编程存储器单元的方法

专利名称：编程存储器单元的方法
技术领域：
本发明涉及非易失性存储器装置的领域，特别涉及编程磁性随机存取存储器(magnetic random access memory, MRAM)的磁性元件。
技术背景磁性随机存取存储器是一种使用磁化(magnetization)来表示所储存的 数据的非易失性存储器技术。在没有电力的情况下，磁性随机存取存储器有 助于保持所储存的数据。 一般而言，磁性随机存取存储器的结构包括多个磁 性单元在一阵列内。各单元通常表示一比特的数据。各单元包括至少一磁性 元件。磁性元件可包括两铁磁板(ferromagnetic plate)，例如半导体基底上 的半导体层，其中各铁磁板具有磁化方向(磁矩的方位或是磁化向量的方 向)。两铁磁板由非磁性层所隔开。两铁磁板之一为自由层(free layer)(也 可称为储存层)，其具有可自由转动的磁化向量。另一铁磁板为被固定层 (pinned layer)(也可称为参考层)，其磁化向量具有不变或是固定的方向。 在编程磁性元件时，传统上通过将铁磁板的磁化向量排列成平行的方式以写 入逻辑0至磁性元件，以及将铁磁板的磁化向量排列成反平行的方式以写入 逻辑l至磁性元件。通过决定元件的电阻可读取磁性元件。在铁磁板之间有 平行磁化向量的磁性元件具有低电阻状态，而在铁磁板之间有反平行磁化向 量的磁性元件具有高电阻状态。通过引入电流(写入电流)至磁性元件可切换磁性元件中自由层的磁化 方向。自旋扭矩转移(spin torque transfer, STT)是切换自由层的磁化方向 的传统方式之一，也称为自旋转移切换、自旋转移效应或是电流感应磁化切 换(current induced magnetization switching, CIMS)。自旋扭矩转移是根据 当自旋极化(spin-polarized)电流应用在自由层时，因为磁矩的方位，电子 可以被极化。电子的极化会导致自由层遭受到扭矩与被磁化的电子在角动量 的变化结合在一起。因此，当电流密度足够高时，扭矩具有足够的能量来切换自由层的磁化向量的方向。自旋扭矩转移具有许多在此技艺中已知的优 点，例如较小的比特尺寸、具有较少数量的工艺步骤(相比于其它写入技 术)、大阵列的可扩縮性，以及需要较低的写入电流。然而，自旋扭矩转移 的缺点是需要双向电流源。更特别地，自由层以及被固定层的磁化从反平行 至平行结构的切换会得到来自第一方向的电流，而从平行至反平行结构的切 换会得到来自第二方向的电流。为了帮助双向电流，在包含磁性元件的单元 中，其阵列的周围需要电流开关。在所占用的装置面积、额外的制造过程、 复杂性以及此技艺所熟知的其它成本的方面，电流开关的存在会增加磁性随 机存取存储器装置的成本。因此，需要一种改善的方法用以编程磁性元件以及存储器装置，其中存 储器装置提供装置内磁性元件的编程的改善。发明内容本发明的目的在于提出一种改善的储存器装置以及方法用以编程磁性 元件。本发明提供一种编程存储器阵列的方法，用以编程包括一第一磁性元件 以及一第二磁性元件的存储器阵列，所述方法包括提供一第一电流源耦接至所述第一磁性元件，以及提供一第二电流源耦接至所述第二磁性元件；从所述第一电流源，供应一第一电流至所述第一磁性元件，所述第一电流具有一第一电流密度并来自一第一方向；以及从所述第二电流源，供应一第二电 流至所述第二磁性元件，所述第二电流具有一第二电流密度并来自所述第一 方向。如上所述的方法，其中所述供应第一电流的步骤提供所述第一磁性元件 的低电阻状态，以及其中所述供应第二电流的步骤提供所述第二磁性元件的 高电阻状态，其中所述第一电流源不同于所述第二电流源。如上所述的方法，其中所述第二磁性元件包括一自由层以及一被固定 层，以及其中所述供应第二电流至所述第二磁性元件的步骤包括供应一电流 直到所述自由层的强度为足够低，使得所述自由层的磁化取决于所述被固定 层的偏压场。如上所述的方法，其中所述第一电流平行于所述第一磁性元件的被固定层的磁化方向。如上所述的方法，其中在一第一期间供应所述第一电流以及在一第二期 间供应所述第二电流，而其中所述第一电流密度高于所述第二电流密度，以 及所述第一期间短于所述第二期间。再者，本发明提供一种编程存储器阵列的方法，包括提供至少一存储 器单元，所述存储器单元包括一磁性元件；提供至少一电流源耦接至所述磁 性元件；以及从至少一所述电流源供应多非零电流位准的一单向电流至所述 磁性元件。如上所述的方法，其中所述磁性元件包括一被固定层、 一自由层以及一 间隔层，以及其中所述单向电流供应至所述被固定层。如上所述的方法，其中所述磁性元件包括一磁场偏压层，以及其中所述 单向电流供应至所述磁场偏压层，其中所述磁场偏压层为一合成反铁磁体。如上所述的方法，其中所述供应单向电流的步骤包括供应一第一电流位 准以及一第二电流位准，其中所述第一电流位准具有大于一临界电流密度的 电流密度，以及所述第二电流位准具有小于所述临界电流密度的电流密度。再者，本发明提供一种编程存储器单元的方法，包括提供一磁性元件 耦接至一电流源；从所述电流源，供应一第一电流脉波至所述磁性元件，其 中所述第一电流脉波提供所述磁性元件的低电阻状态；以及从所述电流源， 供应一第二电流脉波至所述磁性元件，其中所述第一电流脉波以及所述第二 电流脉波为单向，以及所述第二电流脉波提供所述磁性元件的高电阻状态。因此，本发明提出的用于编程磁性元件的存储器装置和方法在没有增加 成本和复杂性的情况下实现了功效的改善。


图1为显示磁性元件的一实施例的剖面图；图2为显示磁性存储器阵列的一实施例的电路图；图3a以及图3b为显示磁性元件以及编程磁性元件的一实施例的剖面图；图3c以及图3d分别显示图3a以及图3b所使用的写入频率；图3e、图3j以及图3k为显示包含不同存储器状态的存储器阵列的一实图3f、图3g、图3h以及图3i为显示图3e、图3j以及图3k的存储器阵 列所使用的写入频率；图4a以及图4b为显示磁性元件以及编程磁性元件的另一实施例的剖面图；图5a以及图5b为显示磁性元件以及编程磁性元件的另一实施例的剖面图；图6a以及图6b为显示使用电流在平面内(CIP)结构编程磁性元件的 一实施例的剖面图；以及图7为显示编程磁性存储器元件的方法的一实施例的流程图。并且，上述附图中的各附图标记说明如下100、 300、 400、 500、 600 磁性元件102、 306、 512、 606 被固定层104、 304、 404、 406b、 510、 504b、 604 间隔层106、 302、 402、 508、 602 自由层200磁性存储器阵列202、 204、 206、 208 存储器单元202a、 204a、 206a、 208a 磁性元件202b、 204b、 206b、 208b 晶体管210列选择器212a、 212b 位线214行选择器216a、 216b 字符线220 写入电流源222读出电流源224输出线308、 408、 516、 518、 608 偏压场 320a、 320b、 320c存储器阵列 322a、 324a、 326a、 328a 写入线 330、 332、 334、 336 字符线7406、 504合成反铁磁体406a、 406c、 504a、 504c 铁磁层502、 514反铁磁体610a、 610b 电流700 方法702-714 步骤e.电子具体实施方式
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出优选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下 实施例图1为显示根据本发明一实施例所述的磁性元件100。磁性元件100包 括被固定层102、非磁性间隔层(spacerlayer) 104以及自由层106。在第一 实施例中，当间隔层104夹在自由磁性元件(自由层106)以及被固定磁性 元件(被固定层102)之间的绝缘体或是势垒层(barrier layer)时，磁性元 件100为磁穿隧接面(magnetic tunnel junction, MTJ)元件。在第二实施例 中，当间隔层104夹在自由磁性元件(自由层106)以及被固定磁性元件(被 固定层102)之间的非磁性传导层时，磁性元件100为巨磁阻(giant magnetoresistance， GMR)元件。其它实施例是可能的。被固定层102以及自由层106均为铁磁层。被固定层102以及自由层106 可包括钴、铁、硼、镍、锰和/或其合金，例如包括镍铁(NiFe)、钴铁(CoFe)、 钴铁硼(CoFeB)或是包含其它铁磁材料的化合物的合金。被固定层102和/ 或自由层106可由传统工艺而形成，例如光刻(photolithography)、化学 气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、电化(Electro-chemical)沉积、 分子操控(Molecularmanipulation)、蚀刻、化学机械研磨，和/或其它工艺。 图1所显示的被固定层102和自由层106为单一层；然而，如熟知此技艺的 人士所知，任一层可以是合成的，例如铁磁层/间隔层/铁磁层。间隔层104也可由传统工艺而形成，例如光刻、化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、物理气相沉积、电化沉积、分子操控、氧化、蚀刻、化学机械研磨，和/或此技艺所知的其它工艺。在一实施例中，磁性元件100为磁穿隧接面元件，也称为穿隧磁阻元件。 在此实施例中，间隔层104为势垒层，也称为穿隧障壁。间隔层104的厚度为电子能穿隧通过间隔层104的厚度。在实施例中，间隔层104具有非磁性 成分，并且可由任何适合作为电绝缘体的材料所形成。举例来说，间隔层104 可使用包括铝、镁、硅、铪、锶或钛氧化物或是氮化物的其它绝缘材料，例 如MgO,HfOxSiOx、 SiNx、 SiOxNy、 A10x、 TaOx、 TiOx、 AlNx和/或其组 合。间隔层104可单独地或是结合插入于被固定层102与自由层106的其它 层(未显示)以电性隔离被固定层102以及自由层106。在另一实施例中，磁性元件100为巨磁阻元件。在实施例中，间隔层104 由非磁性传导材料所组成。势垒层104可包括传导材料，例如铜、钌、镍 和/或此技艺所知的传导材料。间隔层104的厚度可允许通过自旋扭矩转移来 切换自由层106的磁矩方位。磁性元件100可包含额外的层，其包括额外被固定层、反铁磁层(固定 层(pinning layer))、禾中子层(seed layer)、覆盖层(capping layer)、 间隔 层和/或此技艺所知的其它层。 一或多个层可以被合成。在一实施例中，磁性 元件100包含反铁磁层。反铁磁层具有两两相反方向的磁矩，其中反铁磁层 对磁场不敏感。因此，反铁磁层可设定铁磁层的方向。磁性元件100可形成于基底，例如包括硅、锗、复合半导体和/或此技 艺所知的材料的半导体基底。磁性元件IOO可被耦接至一个或多个可使用的内连线，以提供电流(例如读出电流和/或写入电流)至磁性元件IOO。内 连线可由适合导电的材料所组成，例如铝、铜、金、银、钽和/或其组合。磁性元件100的结构可通过自旋扭矩转移来切换自由层106的磁化。下 列应用于磁性元件100的自旋扭矩转移的描述仅供此技艺的目前状态参考，但是其并非用以限定本发明的范围。下面所描述的自旋扭矩转移使用电流垂直于平面(current perpendicular to plane， CPP)的结构。在电流垂直于平面 的结构中，电流被驱动垂直于磁性元件100的各层。最初，假设自由层106 的磁化反平行于被固定层102。箭头110b表示电流从自由层106供应至被固 定层102,用以切换自由层106的磁化以平行于被固定层102的磁化。当电 流由自由层106被驱动至被固定层102时(在箭头110b的方向)，传导电子从被固定层102传导至自由层106。从被固定层102所传导的大多数电子 具有与被固定层102的磁矩相同方向的自旋极化。与自由层106的磁矩互相 影响的电子靠近自由层106以及势垒层104之间的界面。因为互相影响，使 得电子转移自旋角动量至自由层106。自旋角动量反平行于自由层106的磁 化。当通过电子转移足够的角动量时-，自由层106的磁化可被切换成平行于 被固定层102的磁化。切换自由层的磁化方向所需要的临界电流密度以Jc 表示。当自由层106的磁化平行于被固定层102的磁化时，磁性元件的电阻 为低。传统上，低电阻状态表示储存"O"的值。此外，可从相反方向供应电流，如箭头110a所显示，从被固定层102 至自由层106。来自箭头110a方向的电流切换自由层106的磁化，使得自由 层106的磁化反平行于被固定层102的磁化。在供应电流之前，假设自由层 106的磁化平行于被固定层102的磁化。当电流由被固定层102被驱动至自 由层106时(在箭头110a的方向)，传导电子传导在相反方向。大多数电 子具有在自由层106的磁化方向的自旋极化(与被固定层102相同方向)。 大多数的电子被传送通过被固定层102。然而，少数电子，其具有反平行于 自由层106以及被固定层102的磁化的自旋极化，将从被固定层102被反射 并传导回自由层106。所反射的少数电子与自由层106磁矩互相影响，并传 导部分的自旋角动量至自由层106。当足够的角动量被转换时，自由层106 的磁化可被切换成反平行于被固定层102的磁化。切换自由层的磁化方向所 需要的临界电流密度以Jc表示。当自由层106反平行于被固定层102时，磁 性元件的电阻为较高。传统上，高电阻状态表示储存"l"的值。然而，先前描述的自旋扭矩转移中双向电流的要求会需要使用到电流开 关，其将增加存储器元件的成本。因此，需要使用单向电流来切换自由层106 的磁化。图2为显示磁性存储器阵列200的一实施例的电路图。磁性存储器阵列 200包括四个存储器单元202、 204、 206以及208。各存储器单元202、 204、 206与208分别包括磁性元件202a、 204a、 206a与208a以及晶体管202b、 204b、 206b与208b。在图2中，磁性元件202a、 204a、 206a以及208a被描 绘成以电阻表示。磁性元件202a、 204a、 206a以及208a可包括磁性元件， 例如图1所显示的磁性元件100。举例来说，在一实施例中， 一或多个磁性元件202a、 204a、 206a以及208a包括磁穿隧接面元件。在另一实施例中， 一或多个磁性元件202a、 204a、 206a以及208a包括巨磁阻元件。通过使用 自旋扭矩转移，可以写入数据至磁性元件202a、 204a、 206a以及208a。各存储器单元202、 204、 206与208分别通过位线212a、 212b耦接于 读出/写入列(column)选择器210，'以及分别通过字符线216a、 216b耦接 于行(row)选择器214。读出/写入列(column)选择器210耦接于写入电 流源220以及读出电流源222。由读出电流源222供应读出电流以从存储器 单元202、 204、 206与208中读出资料。选择从存储器单元202、 204、 206 或是20S中读出数据由行选择器214以及列选择器210所决定。在输出线224 读取输出电压，并使用输出电压来判断磁性元件202a、 204a、 206a和/或208a 的电阻状态。因为磁性元件202a、 204a、 206a以及208a由自旋扭矩转移所操作，磁 性元件阵列200并未包含传统的写入线。通过来自写入电流源220的电流的 输入，可写入输入数据至磁性元件202a、 204a、 206a以及208a。在传统存 储器阵列中，写入电流源220包括电流开关以提供双向电流。当使用先前所 描述的传统自旋扭矩转移来编程磁性元件202a、 204a、 206a以及208a时， 电流开关允许从两个方向供应电流。举例来说，电流将以第一方向传送以切 换磁性元件202a、 204a、 206a和/或208a的自由层，使得自由层平行于被固 定层并得到磁性元件202a、 204a、 206a和/或208a的低电阻状态。电流将以 第二方向被传送，用以切换磁性元件202a、 204a、 206a禾口/或208a的自由层， 使得自由层不平行于被固定层并得到磁性元件202a、 204a、 206a和/或208a 的高电阻状态。然而，本发明所描述的电流源220提供单向(或单方向性或单极性)电 流以编程磁性元件202a、 204a、 206a和/或208a。电流源220提供包括至少 两种电流位准的单向电流，其中各电流位准具有不同的电流密度。在一实施 例中，电流源220可包括两晶体管。当第一晶体管被导通时，提供具有第一 电流密度的电流。当第二晶体管被导通时，提供具有第二电流密度的电流。 电流源220可包括多个不同的电流源，其可提供单方向性的电流以编程磁性 元件202a、 204a、 206a和/或208a。参阅图3a至图3d，图3a以及图3b显示磁性元件300，而图3c以及图3d是显示写入电流密度(JW)对时间(t)的写入频率图。图3c的写入频率图对应于图3a的磁性元件300，而图3d的写入频率图对应于图3b的磁性元 件300。磁性元件300包括自由层302、被固定层306以及间隔层304。磁性 元件300大体上可相似于图1所描述的磁性元件100。在各层内，磁化的方 向以箭头表示。被固定层306具有非零磁化(non-zero magnetization)以提 供如下文所描述的偏压场(bias field)。磁性元件300可包括额外的层，举 例来说，可包括额外被固定层、间隔层、固定层、种子层、覆盖层和/或此技 艺所知的其它层。 一或多个层可以被合成。在一实施例中，磁性元件300包 括热助层(thermal assistance layer)。热助层由高电阻系数材料所组成，例 如钩、氮化钽和/或此技艺所知的其它材料。磁性元件300设定为可通过自 旋扭矩转移来切换自由层302的磁化。在图3a中，自由层302的磁化最初反平行于被固定层306的磁化。供 应电流密度为Jwl的电流至磁性元件300。如箭头所显示，箭头显示电子(e—) 注入的方向(电流的方向与电子注入的方向相反，即由磁性元件300的自由 层302至被固定层306的方向供应电流密度为Jwl的电流)。如图3c所显 示，电流密度Jwl大于临界电流密度Jc。如先前磁性元件100的自旋扭矩转 移的描述，通过电流密度为Jwl的电流，自由层302的磁化可被切换成平行 于被固定层306的磁化。在时间t，的期间，供应电流密度为Jwl的电流至磁 性元件300。时间t,与间隔层304的厚度有关。在一实施例中，时间^约不 大于5ns。在另一实施例中，时间t,约不大于150ns。在实施例中，间隔层 304的厚度在O.lnm以及10nm之间。在图3b中，自由层302的磁化最初平行于被固定层306的磁化。供应 电流密度为Jw2的电流至磁性元件300。如箭头所显示，箭头显示电子(e—) 注入的方向(电流的方向与电子注入的方向相反，即由磁性元件300的自由 层302至被固定层306的方向供应电流密度为Jw2的电流)。电流密度Jw2 的电流与电流密度Jwl的电流来自相同的方向，其中两电流均为单向。如图 3d所显示，电流密度Jw2小于临界电流密度Jc以及电流密度Jwl。在另一 实施例中，电流密度Jw2可以等于电流密度Jwl。在时间t2的期间，供应电 流密度为Jw2的电流至磁性元件300。时间t2约不大于250ns。在一实施例 中，时间t2约不大于150ns。在另一实施例中，时间t2约不大于50ns。在一实施例中，时间t2对时间^的比例约不大于200。在一实施例中，时间tr大约等于时间t2。在一实施例中，时间t2对时间tj勺比例约大于5。当供应电流密度为Jw2的电流时，磁性元件300以及尤其是自由层302 会变热。当自由层302的温度上升时，强度Hc (在平行于被固定层306的 方向上，当自由层的磁化被驱动至饱和后，将自由层302的磁化减少至零所 需要的磁场强度)将减少。当强度Hc减少时，自由层302变成更容易旋转。 当强度Hc变成足够小时，被固定层306的偏压场308可旋转自由层302。 在一实施例中，在自由层302可被偏压场308旋转之前，强度Hc大约少于 20奥斯特(oersted, Oe)。自由层302的强度Hc对于温度的关系是取决于 磁性元件300、自由层302的成分、自由层302的厚度和/或此技艺所知的其 它因素。偏压场308的强度取决于被固定层306的成分、被固定层306的厚 度和/或此技艺所知的其它因素。在此实施例中，自由层302的磁化被切换成 反平行于被固定层306的磁化。图3e、 3f、 3g、 3h、 3i、 3j以及3k显示存储器阵列320a/320b/320c以及 写入频率322、 324、 326以及328。存储器阵列320a (显示于图3e)显示阵 列的原始状态。在写入频率322、 324、 326以及328中，对应于阵列存储器 储器元件(单元)的状态的原始状态以时间期间"a"表示。存储器阵列320b(显示于图3j)显示在过渡状态(interim state)的阵列。在写入频率322、 324、 326以及328中，对应于阵列存储器储器元件(单元)的状态的过渡状 态以时间期间"b"表示。存储器阵列320c (显示于图3k)显示在最终状态的 阵列。在写入频率322、 324、 326以及328中，对应于阵列存储器储器元件(单元)的状态的最终状态以时间期间"c"表示。存储器阵列320a、 320b和 320c包括写入线322a、 324a、 326a和328a以及字符线330、 332、 334和336。 存储器阵列320a、 320b和320c包括多个存储器元件(例如存储器单元)， 其在写入线以及字符线的交点显示成0或是1，并以行(写入线)/列(字符 线)表示，例如写入线322a/字符线330。存储器元件大体上可相似于图 3a以及3b中的存储器元件300。在存储器阵列320a、 320b和320c中，字符 线332以及字符线336为不导通，而耦接于字符线332以及字符线'336的存 储器元件的状态将不会被切换。然而，存储器阵列320c (最终状态)取决于 字符线330、320c可不相同。根据图3f的写入频率322，通过写入线322a供应电流至图3e的存储器 阵列320a。写入频率322包括一个或多个具有电流密度为Jw3的电流脉冲。 电流密度Jw3大于临界电流密度Jc。因此，供应电流密度为Jw3的电流至阵 列中位置为写入线322a/字符线330以及写入线322a/字符线334的存储器元 件。操作电流密度为Jw3的写入电流以切换位置为写入线322a/字符线330 的存储器元件的存储器状态从储存"1"的状态至储存"0"的状态，如图3j中存 储器阵列320b的过渡状态所显示。存储器状态的切换大体上可相似于先前 图3a以及图3c所描述。另一电流脉波(具有如写入频率322以虚线所显示 的电流密度Jw3)的应用更不会改变存储器阵列的状态。因此，写入线322a 的存储器元件的最终状态320c为0、 1、 0、 0，如图3k所显示。根据图3g的写入频率324，通过写入线324a供应电流至图3e的存储器 阵列320a。写入频率324包括一或多个具有电流密度为Jw4的电流脉冲。电 流密度Jw4小于临界电流密度Jc。因此，供应电流密度为Jw4的电流至阵列 中位置为写入线324a/字符线330以及写入线324a/字符线334的存储器元件。 操作电流密度为Jw4的写入电流以切换位置为写入线324a/字符线334的存 储器元件的存储器状态从储存"0"的状态至储存"1"的状态，如图3j中存储器 阵列320b的过渡状态所显示。存储器状态的切换大体上可相似于先前图3b 以及图3d所描述。另一电流脉波(具有如写入频率324以虚线所显示的电 流密度Jw4)的应用更不会改变存储器阵列的状态。因此，写入线324a的存 储器元件的最终状态320c为1、 1、 1、 0，如图3k所显示。根据图3h的写入频率326，通过写入线326a供应电流至图3e的存储器 阵列320a。写入频率326包括具有电流密度为Jw5的第一电流脉冲以及电流 密度为Jw6的第二电流脉冲。电流密度Jw5大于临界电流密度Jc，而电流密 度Jw6小于临界电流密度Jc。首先，供应电流密度Jw5的电流至阵列中位置 为写入线326a/字符线330以及写入线326a/字符线334的存储器元件。操作 电流密度为Jw5的写入电流以切换位置为写入线326a/字符线330的存储器 元件的存储器状态从储存"1"的状态至储存"0"的状态，如图3j中存储器阵列 320b的过渡状态所显示。存储器状态的切换大体上可相似于先前图3a以及 图3c所描述。接着，供应电流密度Jw6的电流至具有过渡状态(如图3j所储器元件。操作电流密度为Jw6的写入电流以切换过渡存储器阵列320b的存储器状态，使得位置为写入线326a/字符线330 以及写入线326a/字符线334的存储器元件从储存"0"的状态切换成储存"1" 的状态，如图3j中存储器阵列320c的最终状态所显示。存储器状态从"0"至 'T，的切换大体上可相似于先前图3b以及图3d所描述。因此，包括写入线 326a的存储器元件的最终状态320c为1、 1、 1、 0，如图3k所显示。根据图3i的写入频率328，通过写入线328a供应电流至图3e的存储器 阵列320a。写入频率328包括具有电流密度为Jw7的第一电流脉冲以及电流 密度为Jw8的第二电流脉冲。电流密度Jw7小于临界电流密度Jc，而电流密 度Jw8大于临界电流密度Jc。首先，供应电流密度Jw7的电流至阵列中位置 为写入线328a/字符线330以及写入线328a/字符线334的存储器元件。操作 电流密度为Jw7的写入电流以切换位置为写入线328a/字符线334的存储器元件的存储器状态从储存"o"的状态至储存"r的状态，如图3j中存储器阵列320b的过渡状态所显示。存储器状态的切换大体上可相似于先前图3b以及 图3d所描述。接着，供应电流密度Jw8的电流至具有过渡状态(如图3j所 显示)的阵列320b中的存储器元件。操作电流密度为Jw8的写入电流以切 换过渡存储器阵列320b的存储器状态，使得位置为写入线328a/字符线330 以及写入线328a/字符线334的存储器元件从储存"1"的状态切换成储存"0" 的状态，如图3j中存储器阵列320c的最终状态所显示。存储器状态从"0"至 "l"的切换大体上可相似于先前图3a以及图3c所描述。因此，写入线328a 的存储器元件的最终状态320c为0、 1、 0、 0，如图3k所显示。参考图4a以及4b，图4a以及4b显示磁性元件400。磁性元件400包括 自由层402、间隔层404以及合成反铁磁体(synthetic antiferromagnet， SAFM) 406。合成反铁磁体406是执行相似于先前所描述的被固定层102功能的合 成被固定层。合成反铁磁体406包括由间隔层406b所隔开的两铁磁层406a 以及406c。铁磁层406a以及406c可包括钴、铁、镍和/或其铁磁合金，例如 NiFe、 CoFe和/或CoNiFe。铁磁层406a以及406c也可包括半金属铁磁物质， 例如Fe304、 Cr02、 NiMnSb和/或PtMnSb。间隔层406b包括非磁性传导 材料。在一实施例中，间隔层406b包括钌。间隔层406b可包含其它的材料， 例如钌、铜、铱以及铼。间隔层406b的厚度使得铁磁层406a以及406c为反铁磁耦合。自由层402以及间隔层404大体上可相似于图1所描述的被固 定层102以及间隔层104。磁性元件400设定为可通过自旋扭矩转移来切换 自由层402的磁化。图4a显示通过自旋扭矩转移来编程磁性元件400。最初，自由层402的 磁化是反平行于合成反铁磁体406的铁磁层406a的磁化。从自由层402往 合成反铁磁体406的方向，供应电流至磁性元件400。如箭头所显示，其显 示电子(e—)注入的方向。所供应的电流具有大于临界电流密度Jc的电流密 度。电流通过自旋扭矩转移来切换自由层402的磁化方向。在图4b中，自由层402的磁化最初平行于合成反铁磁体406的铁磁层 406a的磁化。从自由层402往合成反铁磁体406的方向，供应电流至磁性元 件400。如指向铁磁层406c的箭头所显示，其显示电子(e—)的注入。所供 应的电流具有小于临界电流密度Jc的电流密度。与图4a中所供应的电流一 样，所供应的电流为单向。在足够的时间内供应电流以加热磁性元件400， 特别是加热自由层402直到自由层402的强度Hc为足够低，使得自由层402 的磁化变为取决于合成反铁磁体406的偏压场408。因此，自由层402的磁 化的切换反平行于合成反铁磁体406的铁磁层406a。额外参考层可包含于磁性元件内，例如图l、 3a、 3b、 4a、 4b所描述 的磁性元件100、300以及400。额外参考或是被固定层可增加有效净偏压场， 其用以切换自由层。额外被固定层可以是磁场偏压层。参考图5a以及5b， 其显示磁性元件500的一实施例。磁性元件500包括多个被固定层，其包括 合成反铁磁体504以及被固定层512。磁性元件500还包括反铁磁体502和 514、自由层508、间隔层510以及第二间隔层506。反铁磁体504包括由间隔层504b所隔开的两铁磁层504a以及504c。合 成反铁磁体504大体上可相似于图4所描述的反铁磁体406。合成反铁磁体 504为磁场偏压层。自由层508、被固定层512以及间隔层510大体上可分 别相似于图1所描述的自由层106、被固定层102以及间隔层104。反铁磁 体502以及514包括反铁磁材料。在一实施例中，反铁磁体502以及514包 括PtMn。反铁磁体502以及514可包括其它反铁磁材料，例如NiMn、 PdMn 以及IrMn。反铁磁体502可设定合成反铁磁体504的磁化方向。反铁磁体 514可设定被固定层512的磁化方向。反铁磁体502以及514可由传统工艺而形成，例如光刻、化学气相沉积、物理气相沉积、电化沉积、分子操控、 蚀刻、化学机械研磨，和/或此技艺所知的其它工艺。磁性元件500设定为可 通过自旋扭矩转移来切换自由层508的磁化。图5a显示通过自旋扭矩转移来编程磁性元件500的一实施例。最初， 自由层508的磁化反平行于合成反铁磁体504的铁磁层504a以及被固定层 512的磁化。从反铁磁体502往反铁磁体514的方向，供应电流至磁性元件 500，如指向反铁磁体514的箭头所显示，其显示电子(e—)的注入。所供应 的电流具有大于临界电流密度Jc的电流密度。通过自旋扭矩转移，电流切换 自由层508的磁化方向以平行于合成反铁磁体504的铁磁层504a以及被固 定层512的磁化。在图5b中，自由层508的磁化最初平行于合成反铁磁体504的铁磁层 504a以及被固定层512的磁化。从反铁磁体502往反铁磁体514的方向，供 应电流至磁性元件500，如指向反铁磁体514的箭头所显示，其显示电子(e—) 的注入。所供应的电流可具有小于临界电流密度Jc的电流密度。在足够的时 间内供应电流以加热磁性元件500，特别是加热自由层508直到自由层508 的强度Hc为足够低，使得自由层508的磁化变为取决于目前的偏压场516 以及518。从被固定层512形成偏压场516。从合成反铁磁体504的铁磁层 504a形成偏压场518。接着，自由层508的磁化将切换方向以反平行于合成 反铁磁体504的铁磁层504a以及被固定层512的磁化。因此，描述于图5b 的热编程的形成可允许电流的使用与图5a所提供的电流一样均为单向。参考图6a以及图6b，图6a、 6b显示磁性元件600具有垂直的磁化方向， 其磁化方向垂直于膜面。在电流在平面内的结构中，供应电流至磁性元件 600，使得电流平行于磁性元件600的磁化向量。磁性元件600包括自由层 602、间隔层604以及被固定层606。磁性元件600的层大体上可相似于磁性 元件IOO (如先前图l所描述)的这些层的构成以及制造。在一实施例中， 磁性元件600为磁穿隧接面元件。在另一实施例中，磁性元件600为巨磁阻 元件。磁性元件600可被配置，使得磁性元件600可通过使用自旋扭矩转移 而被写入。图6a显示编程磁性元件600的一实施例，使得自由层602的磁化反平 行于被固定层606的磁化。最初，自由层602平行于被固定层606 (两磁化向量均指向上方)(未显示)。从自由层602往被固定层606的方向，提供 电流610a至磁性元件600。电流610a具有大于临界电流密度Jc的电流密度。 因此，自由层602的磁化被切换成反平行于被固定层606的磁化。图6b显示编程磁性元件600的一实施例，使得自由层602的磁化平行 于被固定层606的磁化。最初，自由层602反平行于被固定层606 (自由层 602的磁化向量指向下方，而被固定层606的磁化向量指向上方)(未显示)。 从自由层602往被固定层606的方向，提供电流610b至磁性元件600。电流 610b可具有小于临界电流密度Jc的电流密度。电流610a小于或等于电流 610b。在足够的时间内供应电流610a以加热磁性元件600,特别是加热自由 层602直到自由层602的强度Hc为足够低，使得自由层602的磁化变为取 决于被固定层606的偏压场608。接着，自由层602的磁化被切换成平行于 被固定层606的磁化。因此，描述于图6b的热编程的形成可允许电流的使 用与图6a所提供的电流一样均为单向。图7显示编程磁性存储器元件的方法700的一实施例。方法700开始于 步骤702，其中步骤702提供一磁性存储器元件。所提供的磁性存储器元件 可以是先前图1、 3a、 3b、 4a、 4b、 5a、 5b、 6a以及6b分别所描述的磁性元 件100、 300、 400、 500和/或600。所提供的磁性存储器元件包括自由层(或 储存层)，其中自由层的磁化方向可自由旋转。磁性元件可被包含在磁性存 储器单元内。磁性存储器单元可被包含在形成磁性存储器装置的存储器单元 的阵列中。接着，进行方法700的步骤704，其中步骤704供应第一电流至 磁性元件。所供应的第一电流具有大于临界电流密度Jc的第一电流密度。第 一电流来自于第一方向。接着，继续步骤706，其中步骤706使用步骤704 所提供的第一电流来切换磁性元件中自由层的磁化方向。通过自旋扭矩转移 可切换自由层。接着，继续方法700的步骤708，其中步骤708停止供应第 一电流。在一实施例中，供应第一电流的时间约为5ns。在一实施例中，介 于方法700的步骤708以及步骤710之间的时间约不大于300ns。在一实施 例中，在步骤706中也提供切换磁性元件内自由层的磁化以平行于参考(被 固定)层的磁化。在此实施例中，平行磁化提供磁性元件的低电阻状态。接着，进行方法700的步骤710，其中步骤710供应第二电流至磁性元 件。第二电流与第一电流为相同的单向(单方向)。第二电流的电流密度小于或等于第一电流的电流密度。第二电流的电流密度小于临界电流密度Jc。接着，继续方法700的步骤712，其中步骤712使用第二电流来切换磁性元件中自由层的磁化方向。使用偏压场可切换自由层的磁化向量。在一实施例中，偏压场从磁性元件中一个或多个层所产生，例如被固定层或是合成被 固定层(合成反铁磁体)。所供应的电流对磁性元件加热，特别是磁性元件的自由层，用以减少自由层的强度Hc。当强度Hc减少时，自由层的磁化方 向变成容易转动。此时，强度Hc被减少，使得自由层的磁化变为取决于目 前的偏压场。目前的偏压场可切换自由层的磁化方向。接着，继续方法700 的步骤714，其中步骤714中断第二电流。在一实施例中，在步骤712中也 提供切换磁性元件内自由层的磁化以反平行于参考(被固定)层的磁化。在 此实施例中，反平行磁化提供磁性元件的高电阻状态。在步骤704以及步骤 710所供应的电流可使用如第3c图所描述的写入频率。方法700可使用于任何顺序(例如第二电流的应用优先于第一电流)以 及可包括额外的步骤，例如提供读取由磁性元件所储存的值。例如，在一实 施例中，在步骤708之后提供读取电流至磁性元件。读取电流可确定磁性元 件的低电阻状态，以表示"l"被储存于磁性元件内。在一实施例中，在步骤 714之后提供读取电流至磁性元件。读取电流可确定磁性元件的高电阻状态， 以表示"O"被储存于磁性元件内。因此，提供一种方法可使用单向电流来产生 磁性元件内的高电阻状态以及低电阻状态。本发明虽以优选实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的范围，任 何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做一些改动与润 饰，因此本
权利要求
1.一种编程存储器阵列的方法，用以编程包括一第一磁性元件以及一第二磁性元件的存储器阵列，包括提供一第一电流源耦接至所述第一磁性元件，以及提供一第二电流源耦接至所述第二磁性元件；从所述第一电流源供应一第一电流至所述第一磁性元件，其中所述第一电流具有一第一电流密度并来自一第一方向；以及从所述第二电流源供应一第二电流至所述第二磁性元件，其中所述第二电流具有一第二电流密度并来自所述第一方向。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述供应第一电流的步骤提供所述第 一磁性元件的低电阻状态，以及其中所述供应第二电流的步骤提供所述第二 磁性元件的高电阻状态，其中所述第一电流源不同于所述第二电流源。
3. 如权利要求1所述的方法，其中所述第二磁性元件包括一自由层以及 一被固定层，以及其中所述供应第二电流至所述第二磁性元件的步骤包括供 应一电流直到所述自由层的强度为足够低，使得所述自由层的磁化取决于所 述被固定层的偏压场。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述第一电流平行于所述第一磁性元 件的被固定层的磁化方向。
5. 如权利要求1所述的方法，其中在一第一期间供应所述第一电流以及 在一第二期间供应所述第二电流，而其中所述第一电流密度高于所述第二电 流密度，以及所述第一期间短于所述第二期间。
6. —种编程存储器阵列的方法，包括 提供至少一存储器单元，所述存储器单元包括一磁性元件； 提供至少一电流源耦接至所述磁性元件；以及从至少一所述电流源供应多非零电流位准的一单向电流至所述磁性元件。
7. 如权利要求6所述的方法，其中所述磁性元件包括一被固定层、 一自 由层以及一间隔层，以及其中所述单向电流供应至所述被固定层。
8. 如权利要求6所述的方法，其中所述磁性元件包括一磁场偏压层，以及其中所述单向电流供应至所述磁场偏压层，其中所述磁场偏压层为一合成 反铁磁体。
9. 如权利要求6所述的方法，其中所述供应单向电流的步骤包括供应一 第一电流位准以及一第二电流位准，其中所述第一电流位准具有大于一临界 电流密度的电流密度，以及所述第二电流位准具有小于上述临界电流密度的 电流密度。
10. —种编程存储器单元的方法，包括 提供一磁性元件耦接至一 电流源；从所述电流源供应一第一电流脉波至所述磁性元件，其中所述第一电流脉波提供所述磁性元件的低电阻状态；以及从所述电流源供应一第二电流脉波至所述磁性元件，其中所述第一电流 脉波以及所述第二电流脉波为单向，以及所述第二电流脉波提供所述磁性元 件的高电阻状态。
全文摘要
本发明提供一种编程存储器阵列的方法。提供至少一存储器单元，其中存储器单元包括磁性元件。提供至少一电流源耦接至磁性元件。从至少一电流源供应多非零电流位准的一单向电流至磁性元件。
文档编号G11C11/02GK101329897SQ20071018648
公开日2008年12月24日 申请日期2007年11月22日 优先权日2007年6月18日
发明者王郁仁, 邓端理, 郑旭辰 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司