[發(fā)明專利]半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置及其操作方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910173693.3
• 申請(qǐng)日: 2009-09-15
• 公開（公告）號(hào): CN101887746A
• 公開（公告）日: 2010-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧光明;徐雨玹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 海力士半導(dǎo)體有限公司
• 主分類號(hào): G11C11/40
• 分類號(hào): G11C11/40;G11C11/4063;G11C11/413
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 楊林森;康建峰

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本發(fā)明主張2009年5月13日所申請(qǐng)的韓國專利申請(qǐng)案第10-2009-0041585號(hào)的優(yōu)先權(quán)，該案的公開內(nèi)容的全文以引用的方式并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體設(shè)計(jì)技術(shù)，且尤其涉及一種能夠通過使用磁性隧道結(jié)器件(magnetic?tunnel?junction，MTJ)來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。

背景技術(shù)

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)(DRAM)及靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)(SRAM)為在電力中斷時(shí)丟失儲(chǔ)存于存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)的易失性存儲(chǔ)裝置。近年來，進(jìn)行了對(duì)非易失性存儲(chǔ)裝置的研究。非易失性存儲(chǔ)裝置中的一種為磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)。詳言之，MRAM由于其非易失性特性、高集成密度、高速操作及低功率消耗而被視作下一代半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。

MRAM(其是磁性存儲(chǔ)裝置的一種類型)的存儲(chǔ)單元包括根據(jù)輸入自外部的地址而執(zhí)行切換操作的晶體管及儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的MTJ。MTJ具有根據(jù)兩種鐵磁性材料的磁化方向進(jìn)行改變的磁阻(MR)比。MRAM的內(nèi)部電路根據(jù)該MR比檢測(cè)電流量的改變且確定儲(chǔ)存于MTJ中的數(shù)據(jù)為“1”或是“0”。

圖1說明現(xiàn)有半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)單元架構(gòu)。

參看圖1，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括晶體管及MTJ。為達(dá)成說明的目的，把包括NMOS晶體管110及MTJ?130的存儲(chǔ)單元描述為代表性實(shí)例。

NMOS晶體管110形成處于第零源極線SL0與MTJ?130之間的源極-漏極路徑且具有連接至第零字線WL0的柵極。NMOS晶體管110響應(yīng)于由行地址選擇的第零字線WL0的激活而導(dǎo)通/關(guān)斷。

MTJ?130包括自由層132、隧道絕緣層134及被釘扎層136。自由層132由鐵磁性材料形成且其磁化方向由外部刺激(例如，通過MTJ?130的電流)改變。即使對(duì)被釘扎層136施加外部刺激，被釘扎層136的磁化方向仍不改變。由反鐵磁性材料形成的釘扎層(未圖示)使被釘扎層136的磁化方向固定。隧道絕緣層134可由氧化鎂(MgO)形成。

隧道電流根據(jù)施加在MTJ?130上的電壓而流過MTJ?130，且自由層132的磁化方向由隧道電流的方向確定。若自由層132的磁化方向與被釘扎層136的磁化方向等同，則MTJ?130的阻抗變小。若自由層132的磁化方向與被釘扎層136的磁化方向不等同，則變大。大體而言，自由層132的磁化方向與被釘扎層136的磁化方向彼此等同的情況下的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)“0”，且自由層132的磁化方向與被釘扎層136的磁化方向彼此不等同時(shí)的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)“1”。

換言之，當(dāng)通過相對(duì)于被釘扎層136將比特定電平高的正電壓施加至自由層132而使比臨界電流大的正電流流動(dòng)時(shí)，自由層132的磁化方向與被釘扎層136的磁化方向變得彼此等同。亦即，執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“0”的操作，且MTJ?130的阻抗減小。相反，當(dāng)通過相對(duì)于被釘扎層136將比特定電平高的負(fù)電壓施加至自由層132而使比臨界電流大的負(fù)電流流動(dòng)時(shí)，自由層132的磁化方向與被釘扎層136的磁化方向變得彼此相反。亦即，執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“1”的操作，且MTJ?130的阻抗增大。

圖2為展示圖1的MTJ?130的電流-電壓特性的曲線圖。

參看圖2，路徑1、8、9及10表示自由層132與被釘扎層136具有彼此相反的磁化方向的狀況，且路徑3、4、5及6表示自由層132與被釘扎層136具有彼此等同的磁化方向的狀況。路徑2表示其中比臨界電流大的正電流流過圖2的MTJ?130且因此自由層132的磁化方向與被釘扎層136的磁化方向從相反方向改變?yōu)榈韧较虻臓顩r。路徑7表示其中比臨界電流大的負(fù)電流流過MTJ?130且因此自由層132的磁化方向與被釘扎層136的磁化方向從等同方向改變?yōu)橄喾捶较虻臓顩r。

如從圖2可見，MTJ?130可歸因于其磁滯特性而具有高阻抗及低阻抗，且即使電力中斷仍保持該穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3為解釋現(xiàn)有MRAM的寫入操作的電路圖。

參看圖3，MRAM包括多個(gè)存儲(chǔ)單元MC、源極線驅(qū)動(dòng)單元330、位線驅(qū)動(dòng)單元350、預(yù)充電驅(qū)動(dòng)單元370。附圖標(biāo)記390表示第零至第三位線BL0、BL1、BL2及BL3的寄生電容。

為達(dá)成說明的目的，以下描述將集中于被執(zhí)行寫入操作的存儲(chǔ)單元310。

存儲(chǔ)單元310連接于第一位線BL1與第一源極線SL1之間，且響應(yīng)于第一字線WL1的激活而被使能。歸因于源極線驅(qū)動(dòng)單元330及位線驅(qū)動(dòng)單元350，比臨界電流大的電流流過被使能的存儲(chǔ)單元310，且具有與該電流的方向相對(duì)應(yīng)的極性的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于被使能的存儲(chǔ)單元310中。