专利名称：热促进编程的磁性存储元件方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明的实施例通常涉及磁性存储元件，并尤其涉及在磁性存储元件中的热促进编程操作。
背景技术：
磁性存储元件包括一个以上的磁性存储单元，所述磁性存储单元包括具有可切换磁化方向的磁性介质。在磁性介质中储存数据的能力取决于控制磁性介质磁化方向的能力。改变(或切换)磁性介质的磁化方向，允许在一个磁性存储单元中储存一个数据位(亦即逻辑状态的“0”或“1”)。磁性存储单元的一个磁化方向可被设定为逻辑“0”，而相反的磁化方向则可被设定为逻辑“1”。
磁性介质的矫顽磁性(coercivity)，是指必须施加至磁性介质以减少及/或逆转此磁性介质的磁性方向的去磁性外力。因此，必须施加足以克服在一个磁性存储单元中的磁性介质的矫顽磁性的磁场，以将磁性存储单元从一个逻辑状态改变至另一个逻辑状态。一般而言，磁性介质越小，矫顽磁性越高，且用以改变逻辑状态所需要的磁场越高。
在磁性存储元件中，已知有数种磁性存储单元，例如磁性随机存取存储器(MRAM)阵列，包括具有或不具有合成反铁磁结构(SAF)的隧穿磁阻存储器(TMR)单元、具有或不具有合成反铁磁结构的巨磁电阻存储单元(GMR)、以及具有或不具有合成反铁磁结构的超巨磁电阻存储单元(CMR)等。这些存储单元中的每一个都包括了数据层(亦可称为储存层或位层)、参考层、以及中介层，其位于数据层与参考层之间。数据层、参考层与中介层三者均可由一层或多层的材料制造而得。
数据层一般为一层可以储存一位数据的磁性材料，此位数据以磁化方向的形式存在，并可根据外部磁场或上述磁场而改变。换而言之，数据层中代表逻辑状态的磁化方向可以被旋转(或切换)，从代表逻辑状态“0”的第一方向旋转至代表逻辑“1”的第二方向，反之依然。
参考层通常为磁性材料层，其磁化方向被「钉扎」，亦即固定于预定方向。通常需要数层磁性材料合并，以作为稳定的被钉扎参考层。此预定方向在制造此磁性存储单元时，通过微电子工艺而建立。
例如MRAM等的磁性存储元件，通常使用磁隧穿接面(MTJ)存储单元，其包括上述存储单元中的一种、并位于导电行与列的横向交叉点。该安排通常称为交叉点存储阵列(cross point memory array)。
在此交叉点阵列中，每一个单元的逻辑状态取决于在数据层与参考层中的相对磁化方向。当通过施加适当电压至相关的导电行与列中从而施加电位偏压至数据层与参考层时，电子会从数据层与参考层之间迁移至中介层。引起电子迁移至中介层的现象，称为量子力学隧穿，或自旋隧穿。通过感测电子的流动并测量存储单元的电阻，则可决定其逻辑状态。
举例而言，若在数据储存层中的整体磁化方向平行于参考层中的被钉扎磁化方向，则此磁性存储单元将会处于低电阻状态。若在数据储存层中的整体磁化方向反平行(anti-parallel)(或相反)于参考层中的被钉扎磁化方向，则此磁性存储单元将会处于高电阻状态。低电阻状态与高电阻状态接着则会与逻辑状态相关，使得存储单元的逻辑状态可以通过感测流经此存储单元的电流、并测量该存储单元的相关电阻而决定。
构成交叉点存储阵列的导电行与列，通常称为字线与位线。因此，在交叉点阵列中的目标存储单元的逻辑状态，可以通过选择适当的字线与位线而决定。
磁性存储单元通常会包括额外的位线，以在适当电压施加于与目标存储单元相关的字线与位线时，来改变一个以上构成此交叉点阵列的磁性存储单元的磁化方向。在这些额外位线中流动的电流会在位线周围产生一个磁场。此磁场的方向会影响目标存储单元的磁化方向。若由在这些位线中的一个中流动的电流所产生的磁场够强，则可以克服目标存储单元的矫顽磁性，并旋转(或切换)目标存储单元的磁化方向。
因此，为了改变磁性存储单元的逻辑状态，额外位线必须足够接近磁性存储单元，以使得在此额外位线中流动的电流所产生的磁场可以影响此存储单元的磁化方向。此外，必须使用够大的电流以产生足够强度的磁场，以克服此磁性存储单元的矫顽磁性。
改变在此额外位线中流动的电流方向则会改变其所产生磁场的方向，进而致使存储单元的磁化方向切换至另一方向。
与读取操作相较之下，写入或编程操作一般需要较大的电流与磁场。较大的电流也需要更耐用的电源供应器与较大的切换晶体管。较大的电流与磁场，也需要在相邻的单元之间设置适当的缓冲空间。这个原因是，当针对一个目标单元进行逻辑状态的编程时，对邻近单元的数据层造成负面影响是不理想的。因此，制造时所遇到的设计问题，一般是从满足写入操作的需求开始。
由于磁性存储元件的矫顽磁性会随着此元件的尺寸缩小而增加，为了克服存储单元的矫顽磁性，则需要更大的电源与更大的切换晶体管。从更大的电源与更大的切换晶体管所产生的更大的电流，有可能影响到相邻存储单元的状态。因此，随着磁性存储元件尺寸的缩小，存储元件整体空间的增加用以提供在相邻存储单元之间所需要的物理缓冲。若无此缓冲空间，则会产生更大的噪声干扰问题。
上述的各问题，使得欲制造微小、密集、高密度磁性存储元件更为困难。换而言之，使用额外位线以编程存储单元、更大的电源、更大的切换晶体管、以及更大的隔离空间，都意味着在已知磁性存储元件中所能达到的密度将会减少。在需要更多隔离空间时欲增加其密度，则导致与存储单元之间的噪声干扰有关的风险与问题也会随之增加。
此外，为了提供足以克服较小存储单元的矫顽磁性所需要的较大电源与切换晶体管将会增加传统磁性存储元件的电能消耗。可以理解的是，增加的电能消耗一般是不理想的，尤其是对于日渐增加的移动设备而言。
发明内容
一种磁性存储元件，包括磁性存储单元，其包括被钉扎层与自由层，此自由层以绝缘层而与被钉扎层分隔。此磁性存储元件还包括热盘(thermal plate)。此热盘与自由层接触。此磁性存储元件配置为使第一电流流经此热盘而加热此热盘。由于此第一电流的加热作用，自由层的磁性性质可被改变。被改变的磁性性质有助于切换自由层的磁化方向。接着可使第二电流流经接近此自由层的位线，产生足以切换自由层磁化方向的磁场。由于加热作用，可以使用较小电流以切换自由层的磁化方向，进而减少此元件的功率消耗，其有助于增加密度、并增加隔离效果或减少在存储单元之间的噪声干扰。
在本发明的一个目的中，此热盘由反铁磁性材料所构成。
在本发明的另一个目的中，磁性存储单元可还包括钉扎层，此钉扎层用以固定被钉扎层的磁化方向。此钉扎层可包括反铁磁材料与合成反铁磁薄膜。此被钉扎层可包括3d过渡磁性金属。
在本发明的又一目的中，此自由层亦可包括3d过渡磁性材料。
以下详细说明本发明的结构与方法。本发明内容说明章节目的并非在于定义本发明。本发明由权利要求所定义。举凡本发明的实施例、特征、目的及优点等将可通过下列说明书及附图获得充分了解。
图1是根据本发明的一个实施例，绘示磁性存储元件的配置；图2是磁性存储单元的放大图，其包括图1中的磁性存储元件的一部份；图3A-3C示出了图2中的磁性存储单元的磁滞系统(hysteresis)；图4A-4C示出了图2中的磁性存储单元的磁滞系统；图5是根据本发明一个实施例，绘示图1的磁性存储元件的读取操作；图6绘示用以编程磁性存储单元的例示程序，此磁性存储单元包括在图1的磁性存储元件之中；以及图7绘示用以将磁性存储单元的磁性存储状态，编程至图6的相反状态的例示程序，此磁性存储单元包括在图1的磁性存储元件之中。
主要元件符号说明100MRAM元件102MTJ单元104热盘106位线108通孔110连接器114第一字线晶体管116电极118连接器120第二字线晶体管122第二位线124共同源极节点126，128 字线202自由层204绝缘层206被钉扎层208SAF层210反铁磁层212钉扎层502，602，604 电流702，704 电流606，706 磁场具体实施方式
以下所述的实施例，通常涉及磁性随机存取存储器(MRAM)元件；然而，可以了解的是，本发明所述的方法与元件并不必定限定于MRAM元件，而是可以应用至任何磁性存储元件。因此，本发明不应被视为限定于下述的特定实施例。
在下述的实施例中，磁性存储元件包括磁性隧穿接面(MTJ)存储单元，其包括有钉扎层、被钉扎层、以及自由层，自由层以绝缘层而与被钉扎层分隔。此磁性存储单元亦包括耦合至自由层的热盘。此热盘可通过流经此热盘的电流而加热。如下所述，此热盘可经由足够的加热而改变自由层的磁性活动，而有助于改变自由层的磁性方向。因此，可以利用较小的电流而改变自由层的磁性方向。
具有可较轻易改变自由层的磁化方向(或编程自由层的状态)的能力，不仅可以减少所需要的编程电流，亦可减少用以编程磁性存储单元所需要的电源供应器以及切换晶体管的尺寸。因此，在单元之间所需要的隔离空间可以缩小。噪声干扰亦可被降低，上述各点则促进了更密集的磁性存储元件。此外，存储单元的编程状态的稳定性，亦可被改良。
图1说明了MRAM元件100，其配置根据本发明的一个实施例。MRAM元件100包括MTJ单元102，如图所示。如下所详述，MTJ单元102包括自由层，自由层与热盘104接触。热盘104的一端可以经由通孔108而连接至位线106。热盘104的另一端可以经由连接器110而连接至第一字线晶体管114。MTJ单元102可以从其连接至热盘104的相反端，耦接至电极116。电极116可经由连接器118而连接至第二字线晶体管120的漏极。字线晶体管114与120可包括共同源极节点124，如图所示。字线晶体管114与120的栅极可分别耦接至字线126与128。
MRAM元件100亦可包括第二位线122，此第二位线相当接近MTJ单元102。如下所详述，位线122可用于编程MTJ单元102的状态。
图2是绘示MTJ单元102的放大图。如图所示，MTJ单元102可包括钉扎层212、被钉扎层206、绝缘层204、与自由层(或数据层)202。在图2所示的实施例中，钉扎层212包括反铁磁层210与合成反铁磁(SAF)层208。反铁磁层210可包括如铁锰、铂锰等反铁磁材料。合成反铁磁层208可包括合成反铁磁薄膜，例如钴铁/钌/钴铁。
可以理解的是，本发明所述的实施例并不限于钉扎层212中使用SAF薄膜。此外，在MTJ单元102中是否包括反铁磁层210均可，视实施例而定。
根据实施例的不同，钉扎层212的厚度可以介于约5至约80纳米。
被钉扎层206可包括3d过渡磁性材料，例如钴铁。根据实施例的不同，被钉扎层206的厚度可介于约1至约20纳米。
绝缘层204可包括薄层绝缘材料，例如氧化铝、氧化镁等。根据实施例的不同，绝缘层204的厚度可介于约0.7至3纳米之间。
自由层202亦可包括3d过渡磁性材料，例如钴铁。根据实施例的不同，自由层202的厚度可以介于约1至约20纳米之间。
电极116可以包括导电金属层。相似地，通孔108、接点110与118、以及位线106，122均可包括导电金属材料。
根据实施例的不同，热盘104可包括反铁磁材料、或反铁磁/非磁性材料。举例而言，热盘104可包括XMn或XMn/Y，其中X为铂、铱或铁等，而Y为钌或铱等。
可以了解的是，热盘104的反铁磁性质可协助将自由层202的现有磁化方向钉扎住。自由层202的钉扎作用会使得MTJ单元的状态更稳定；然而，此钉扎作用亦使得要克服自由层202的矫顽磁性来切换其磁化方向变得更为困难。因此，则需要一个大电流来切换自由层202的状态。然而在此处的实施例中，热盘104通过流经热盘104的电流所加热。流经热盘104的电流的幅度足以将热盘104的温度提升至特定临界点之上，例如尼尔温度(Néel temperature)或阻隔温度(blocking temperature)，在此温度时热盘104会成为顺磁性。因此，热盘104将不再把自由层202钉扎于其现存状态，因而可使用较小幅度磁场以切换自由层202的状态。
此现象可由图3A-3C以及图4A-4C的磁滞曲线来说明。在图3A-3C中，自由层202的磁化方向从正向切换到负向。在图3A中，自由层202具有正向磁化方向。如磁滞曲线302所示，其需要大磁场以克服自由层202的矫顽磁性、并将其磁化方向切换至负向。在热盘104被加热后(如上所述)，自由层202不再被热盘104所钉扎，因为热盘104不再是反铁磁体。因此，自由层202的磁性活动改变了，如图3B中的磁滞曲线304所示。如图3B所示，改变自由层202的磁化方向所需的磁场大幅降低。因此，在热盘104被加热时，可施加磁场至自由层202以切换自由层202的磁化方向。
热盘104可被允许冷却至一个温度，此时其恢复为反铁磁体。此现象会使热盘104将自由层202钉扎于其新磁化方向。此现象可由图3C中的磁滞曲线306说明。如图所示，在此点，欲克服自由层202的矫顽磁性，则再次需要大磁场方能达成。
图4A至4C说明了将自由层202从负向磁化方向改变至正向磁化方向的逆向操作。因此，图4A中的磁滞曲线402说明，在加热之前需要一个大磁场以改变自由层202的磁化方向。在加热之后，磁滞曲线平移至图4B中央的磁滞曲线404，并可使用一个相当低的磁场以改变自由层202的磁化方向。在加热之后，磁滞曲线会再次平移，如图4C中的磁滞曲线406所示，并且自由层202会再次被钉扎。
磁滞曲线从左向右或从右向左偏移的过程，如图3A至3C以及图4A至4C所示，可被称为磁场冷却程序。此外，在热盘104与自由层202之间的交互作用，可被称为交换偏压耦合(exchange bias)，或交换偏压耦合力。因此，当施加交换偏压耦合力时，则需要一个大磁场以改变自由层202的磁化方向。当热盘104被加热时，交换偏压耦合力即被消除(或克服)，因此欲改变自由层202的磁化方向仅需要一个远小于原磁场的磁场。
因此，借着将热盘104包含在MRAM的磁性存储单元中，可使用较低的电流将磁性存储单元从一个状态编程至另一个状态。此外，由于自由层202的状态由热盘104所钉扎，存储单元的状态将更稳定。
图5根据一个实施例，绘示用以感测MTJ102的状态的一种例示方法。首先，晶体管120通过施加一个感测电压至字线126而启动，字线126耦接至晶体管120的栅极。晶体管114以及与磁性存储元件100中的其他单元相关的所有字线晶体管，通过施加一个0伏特或轻微负的偏压至字线128以及耦接至与其他单元相关的所有其他晶体管的栅极的字线而关闭，字线128耦接至晶体管114的栅极。
接着则在位线106与共同源极124之间施加一个电压差。此电压差会致使感测电流502流经位线106并向下经由通孔108而流至热盘104。感测电流502接着从热盘104流经MTJ单元102而流至电极116，接着经由接点118而往下流至晶体管120的栅极。电流502接着从共同源极节点124流出，在此其可被感测以决定MTJ单元102的电阻。
电流502的方向取决于与施加至位线106与共同源极124的电压差相关的电压方向。因此，施加与图5的范例所施加的电压差相反方向的电压差，将致使一个电流流向与图5相反的方向。
若自由层202的磁化方向对准至被钉扎层206的磁化方向，则MTJ的电阻会比未对准时的电阻低。通过感测MTJ102的电阻，可以决定MTJ102的状态。
除了位线106以外的所有其他位线可以浮置或接地。相似地，除了共同源极节点124以外的其他共同源极节点可以浮置或接地。
在感测操作中，位线122以及在元件100中的所有相似位线浮置或接地。
图6绘示一个例示方法，以将MTJ102的状态编程至逻辑“1”。首先，施加一个电压至字线128而启动晶体管114，字线128耦接至晶体管114的栅极。施加一个0伏特或一个轻微负偏压至晶体管120与所有其他与元件100中的其他单元相关的晶体管的栅极，从而关闭这些晶体管。接着施加一个电压差至位线106与共同源极124之间，而产生流经位线106的电流602。电流602的方向再次取决于所施加至位线106与共同源极124之间的电压差的电压方向。
在图6的实施例中，电流602流经位线106、并经由通孔108而往下流至热盘104。此电流将加热热盘104。此加热作用的发生是由于热盘104的高电阻。此高电阻使得大部分的压降发生在热盘104之中，进而加热热盘104。此加热功率将遵守下列公式P＝IV。
电流602会流经热盘104，并经由接点110与晶体管而往下流至共同源极124。一旦热盘104被加热到足以高于其尼尔温度或阻隔温度时，可接着通过位线122施加一个电流以产生磁场606。磁场606可用于改变自由层202的磁化方向。可以了解的是，当施加足够强的磁场606时，自由层202的磁化方向将会依循磁场606的方向。
在图6的实施例中，流入位线122的电流604是流入页面。此将产生如图所述的磁场。
当自由层202的磁化方向通过磁场606而改变时，则可移除先前施加至位线106与共同源极124之间的电压差，亦即同时移除电流602。电流604也可被移除。一旦电流602被移除，热盘104的温度会降至尼尔温度或阻隔温度以下，且热盘104会再次成为反铁磁体。此现象会将自由层202的磁化方向钉扎，如上所述。
在图6所述的编程操作中，除了位线106以外的所有位线，可以是浮置或接地。相似的，在元件100中，除了共同源极节点124以外的其他所有共同源极节点，可以浮置或接地。
图7绘示了一个例示方法，以将自由层202的状态改变至逻辑“0”。此方法类似于图6所示的方法，然而，在位线122中所流动的电流方向704是流出页面，并且其电流方向与图6中的电流604相反。此现象将致使自由层的磁化方向被切换至依循磁场706的方向。
再次地，除了位线106之外，所有与元件100中的单元相关的位线，可以浮置或接地，而在元件100中除了共同源极节点124以外的其他所有共同源极节点，可浮置或接地。
可以了解的是，在上述实施例中所施加的电压与电压差，必须足以产生所述的电流与磁场。因此，对每一个特定应用而言，所施加的电压与电压差将视情况而改变。在各实施例中所述及的描述不应被视为将本发明限定于特定的电压与电压差。
此外，产生电流流经热盘104以将热盘104加热至超过其尼尔温度或阻隔温度的时间长度，必须足以使其达到所需的温度。例如，对铁锰而言，所达到的温度必须约高于300℃。因此，若使用铁锰于热盘104中，则在热盘104中产生电流的时间必须够长，以将热盘104加热至约超过300℃。因此，在本发明中所产生的各个电流的时间长度，将取决于特定应用。在本文中所述及者不应被视为将本发明限制于任何特定的时间长度或时间区间。在本文中所述及者亦不应被视为将热盘104加热至任何限定温度。同样地，热盘104应经过足够加热，使得其温度升高至大于所使用的特定材料的尼尔温度或阻隔温度。
虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本发明并不局限于以上详细描述。以上描述中已经提出了替换方式和修改样式，并且其他替换方式及修改样式是本领域技术人员所熟知的，特别是，根据本发明的结构和方法，所有在实质上等同于本发明的构件结合而实现与本发明实质上相同结果者都不会脱离本发明的精神范畴。因此，所有这些替换方式及修改样式意欲落在本发明在权利要求以及等价物所界定的范围内。任何前文所提及的专利申请以及印刷文本都是本案的参考。
权利要求
1.一种磁性存储元件，包括磁性存储单元，所述磁性存储单元包括被钉扎层，包括被钉扎的磁化方向；钉扎层，位于所述被钉扎层之下，配置为固定所述被钉扎层的磁化方向；绝缘层，位于所述被钉扎层上；自由层，位于所述绝缘层上，其包括可切换的磁化方向；以及热盘，耦接至所述自由层，当所述热盘温度低于特定温度时，所述热盘通过交换偏压耦合效应决定所述自由层的磁化方向。
2.如权利要求1所述的磁性存储元件，其中，当所述热盘的温度高于所述特定温度时，所述热盘并不产生所述交换偏压耦合效应来决定所述自由层的所述磁化方向。
3.如权利要求1所述的磁性存储元件，其中，所述热盘由反铁磁材料所构成。
4.如权利要求3所述的磁性存储元件，其中，所述反铁磁材料为XMn或XMn/Y。
5.如权利要求4所述的磁性存储元件，其中，X为铂、铱、或铁。
6.如权利要求4所述的磁性存储元件，其中，Y为钌或铱。
7.如权利要求1所述的磁性存储元件，其中，所述钉扎层包括合成反铁磁层。
8.如权利要求7所述的磁性存储元件，其中，所述合成反铁磁层包括钴铁/钌/钴铁。
9.如权利要求1所述的磁性存储元件，其中，所述钉扎层还包括反铁磁层。
10.如权利要求1所述的磁性存储元件，其中，所述钉扎层的厚度介于约5nm至80nm之间。
11.如权利要求1所述的磁性存储元件，其中，所述被钉扎层为钴铁。
12.如权利要求1所述的磁性存储元件，其中，所述被钉扎层的厚度介于约1nm至20nm之间。
13.如权利要求1所述的磁性存储元件，其中，所述绝缘层包括氧化铝或氧化镁。
14.如权利要求13所述的磁性存储元件，其中，所述绝缘层的厚度介于约0.7nm至3nm之间。
15.如权利要求1所述的磁性存储元件，其中，所述自由层的材料为钴铁。
16.如权利要求1所述的磁性存储元件，还包括第一位线，其耦接至所述热盘的一端。
17.如权利要求16所述的磁性存储元件，还包括一对字线晶体管以及由该对字线晶体管所共用的共同源极节点，且其中所述热盘的另一端耦接至该对字线晶体管中一个的漏极。
18.如权利要求17所述的磁性存储元件，其中，另一个所述字线晶体管的漏极耦接至所述磁性存储单元。
19.如权利要求1所述的磁性存储元件，还包括紧邻于所述磁性存储单元的第二位线。
20.如权利要求1所述的磁性存储元件，其中，所述磁性存储元件包括磁性存储单元的交叉阵列。
21.一种用以编程磁性存储元件的方法，所述磁性存储元件包括热盘、位线、以及磁性存储单元，所述磁性存储单元包括被钉扎层、钉扎层、以及自由层，所述自由层包括可切换的磁化方向，所述方法包括施加电流至所述热盘，所述电流致使所述热盘的温度高于临界点；以及施加电流流至所述位线，所述电流用于产生磁场，所述磁场的强度足以切换所述自由层的所述磁化方向。
22.如权利要求21所述的方法，还包括将电流从所述热盘移除、并允许所述热盘冷却，以钉扎所述自由层的磁化方向。
23.如权利要求22所述的方法，还包括从所述位线移除所述电流。
24.一种用以读取磁性存储单元的状态的方法，所述磁性存储单元包括热盘、位线、一对包括共同源极节点的字线晶体管、以及磁性存储单元，所述磁性存储单元包括被钉扎层以及自由层，所述被钉扎层包括钉扎磁化方向，所述自由层包括可切换的磁化方向，所述方法包括通过以下步骤而产生感测电流启动该对字线晶体管之一；以及施加一个电压差于所述位线与所述共同源极节点之间；以及利用感测放大器侦测所述感测电流，以决定所述被钉扎层的磁化方向与所述自由层的磁化方向是平行的还是反平行的。
25.如权利要求24所述的方法，还包括关闭另一个所述字线晶体管。
全文摘要
本发明公开了一种磁性存储元件，其包括磁性存储单元，此磁性存储单元包括被钉扎层以及自由层，自由层以绝缘层而与被钉扎层分离。此磁性存储元件亦包括接触至自由层的热盘。此磁性存储元件配置为可以利用流经此热盘的第一电流来加热此热盘。此自由层的磁性性质可被第一电流所导致的加热作用而改变，进而更容易切换自由层的磁化方向。接着可使第二电流流经接近自由层的位线，产生足以切换自由层的磁化方向的磁场。
文档编号H01F10/32GK101068037SQ20071010218
公开日2007年11月7日 申请日期2007年4月29日 优先权日2006年5月5日
发明者何家骅, 谢光宇 申请人:旺宏电子股份有限公司