[發明專利]熱促進編程的磁性存儲元件方法及裝置

有效

• 申請號: 200710102186.1
• 申請日: 2007-04-29
• 公開（公告）號: CN101068037A
• 公開（公告）日: 2007-11-07
• 發明（設計）人: 何家驊;謝光宇
• 申請（專利權）人: 旺宏電子股份有限公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L27/22;G11C11/16;H01F10/32
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 林錦輝

技術領域

本發明的實施例通常涉及磁性存儲元件，并尤其涉及在磁性存儲元件中的熱促進編程操作。

背景技術

磁性存儲元件包括一個以上的磁性存儲單元，所述磁性存儲單元包括具有可切換磁化方向的磁性介質。在磁性介質中儲存數據的能力取決于控制磁性介質磁化方向的能力。改變(或切換)磁性介質的磁化方向，允許在一個磁性存儲單元中儲存一個數據位(亦即邏輯狀態的“0”或“1”)。磁性存儲單元的一個磁化方向可被設定為邏輯“0”，而相反的磁化方向則可被設定為邏輯“1”。

磁性介質的矯頑磁性(coercivity)，是指必須施加至磁性介質以減少及/或逆轉此磁性介質的磁性方向的去磁性外力。因此，必須施加足以克服在一個磁性存儲單元中的磁性介質的矯頑磁性的磁場，以將磁性存儲單元從一個邏輯狀態改變至另一個邏輯狀態。一般而言，磁性介質越小，矯頑磁性越高，且用以改變邏輯狀態所需要的磁場越高。

在磁性存儲元件中，已知有數種磁性存儲單元，例如磁性隨機存取存儲器(MRAM)陣列，包括具有或不具有合成反鐵磁結構(SAF)的隧穿磁阻存儲器(TMR)單元、具有或不具有合成反鐵磁結構的巨磁電阻存儲單元(GMR)、以及具有或不具有合成反鐵磁結構的超巨磁電阻存儲單元(CMR)等。這些存儲單元中的每一個都包括了數據層(亦可稱為儲存層或位層)、參考層、以及中介層，其位于數據層與參考層之間。數據層、參考層與中介層三者均可由一層或多層的材料制造而得。

數據層一般為一層可以儲存一位數據的磁性材料，此位數據以磁化方向的形式存在，并可根據外部磁場或上述磁場而改變。換而言之，數據層中代表邏輯狀態的磁化方向可以被旋轉(或切換)，從代表邏輯狀態“0”的第一方向旋轉至代表邏輯“1”的第二方向，反之依然。

參考層通常為磁性材料層，其磁化方向被「釘扎」，亦即固定于預定方向。通常需要數層磁性材料合并，以作為穩定的被釘扎參考層。此預定方向在制造此磁性存儲單元時，通過微電子工藝而建立。

例如MRAM等的磁性存儲元件，通常使用磁隧穿接面(MTJ)存儲單元，其包括上述存儲單元中的一種、并位于導電行與列的橫向交叉點。該安排通常稱為交叉點存儲陣列(cross?point?memory?array)。

在此交叉點陣列中，每一個單元的邏輯狀態取決于在數據層與參考層中的相對磁化方向。當通過施加適當電壓至相關的導電行與列中從而施加電位偏壓至數據層與參考層時，電子會從數據層與參考層之間遷移至中介層。引起電子遷移至中介層的現象，稱為量子力學隧穿，或自旋隧穿。通過感測電子的流動并測量存儲單元的電阻，則可決定其邏輯狀態。

舉例而言，若在數據儲存層中的整體磁化方向平行于參考層中的被釘扎磁化方向，則此磁性存儲單元將會處于低電阻狀態。若在數據儲存層中的整體磁化方向反平行(anti-parallel)(或相反)于參考層中的被釘扎磁化方向，則此磁性存儲單元將會處于高電阻狀態。低電阻狀態與高電阻狀態接著則會與邏輯狀態相關，使得存儲單元的邏輯狀態可以通過感測流經此存儲單元的電流、并測量該存儲單元的相關電阻而決定。

構成交叉點存儲陣列的導電行與列，通常稱為字線與位線。因此，在交叉點陣列中的目標存儲單元的邏輯狀態，可以通過選擇適當的字線與位線而決定。

磁性存儲單元通常會包括額外的位線，以在適當電壓施加于與目標存儲單元相關的字線與位線時，來改變一個以上構成此交叉點陣列的磁性存儲單元的磁化方向。在這些額外位線中流動的電流會在位線周圍產生一個磁場。此磁場的方向會影響目標存儲單元的磁化方向。若由在這些位線中的一個中流動的電流所產生的磁場夠強，則可以克服目標存儲單元的矯頑磁性，并旋轉(或切換)目標存儲單元的磁化方向。

因此，為了改變磁性存儲單元的邏輯狀態，額外位線必須足夠接近磁性存儲單元，以使得在此額外位線中流動的電流所產生的磁場可以影響此存儲單元的磁化方向。此外，必須使用夠大的電流以產生足夠強度的磁場，以克服此磁性存儲單元的矯頑磁性。

改變在此額外位線中流動的電流方向則會改變其所產生磁場的方向，進而致使存儲單元的磁化方向切換至另一方向。

與讀取操作相較之下，寫入或編程操作一般需要較大的電流與磁場。較大的電流也需要更耐用的電源供應器與較大的切換晶體管。較大的電流與磁場，也需要在相鄰的單元之間設置適當的緩沖空間。這個原因是，當針對一個目標單元進行邏輯狀態的編程時，對鄰近單元的數據層造成負面影響是不理想的。因此，制造時所遇到的設計問題，一般是從滿足寫入操作的需求開始。