[發明專利]一種提高磁性隨機存儲器寫入效率的方法

在審

• 申請號: 201811045291.0
• 申請日: 2018-09-07
• 公開（公告）號: CN110890458A
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 葉力;戴瑾
• 申請（專利權）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/12;G11C11/16
• 代理公司: 上海容慧專利代理事務所(普通合伙) 31287
• 代理人: 于曉菁

本發明公開了一種提高磁性隨機存儲器寫入效率的方法，磁性隨機存儲器包括控制電路和存儲單元陣列，每個存儲單元由磁性隧道結和NMOS場效應管組成，存儲單元通過字線、磁性位線以及源線與控制電路連接。磁性位線產生一個額外的自旋扭矩效應，由于磁性隧道結的記憶層磁矩垂直于薄膜表面方向，該自旋扭矩在初始狀態下就處于最大值，而不會像參考層所提供的自旋扭矩效應那樣需要經過一個正反饋的逐漸放大過程。這個額外的自旋扭矩由記憶層頂部的磁性位線提供，可以加速記憶層磁矩的翻轉，降低寫操作所消耗的能量，提高芯片寫操作的效率。

技術領域

本發明涉及一種磁性隨機存儲器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)，具體涉及一種提高磁性隨機存儲器寫入效率的方法，屬于磁性隨機存儲器制造技術領域。

背景技術

MRAM是一種新的內存和存儲技術，可以像SRAM/DRAM一樣快速隨機讀寫，還可以像Flash閃存一樣在斷電后永久保留數據。不像DRAM以及Flash那樣與標準CMOS半導體工藝不兼容，MRAM可以和邏輯電路集成到一個芯片中。

MRAM的原理，是基于一個叫做磁性隧道結(MTJ)的結構。它是由兩層鐵磁性材料夾著一層非常薄的非鐵磁絕緣材料組成的，如圖1和圖2所示。下面的一層鐵磁材料是具有固定磁化方向的參考層13，上面的鐵磁材料是可變磁化方向的記憶層11，記憶層11的磁化方向可以和參考層13相平行或反平行。由于量子物理的效應，電流可以穿過中間的隧道勢壘層12，磁性隧道結的電阻和可變磁化層的磁化方向有關。記憶層11和參考層13的磁化方向相平行時電阻低，如圖1；反平行時電阻高，如圖2。

讀取MRAM的過程就是對磁性隧道結的電阻進行測量。使用比較新的STT-MRAM技術，寫MRAM也比較簡單：使用比讀更強的電流穿過磁性隧道結進行寫操作。一個自下而上的電流把可變磁化層置成與固定層反平行的方向，自上而下的電流把它們置成平行的方向。

如圖3所示，每個MRAM的存儲單元由一個磁性隧道結(MTJ)和一個NMOS選擇管組成。每個存儲單元需要連接三根線：NMOS場效應管的柵極連接到芯片的字線(Word Line)32，負責接通或切斷這個單元；NMOS場效應管的一極連在源線(Source Line)33上，NMOS場效應管的另一極和磁性隧道結34的一極相連，磁性隧道結34的另一極連在位線(Bit Line)31上。

存儲單元中包括記憶層和參考層，通過自旋扭矩效應實現對記憶層11磁矩的翻轉，自旋扭矩效應的大小正比于記憶層11和參考層13磁矩的叉乘。STT-MRAM通過自旋扭矩效應來實現電流對記憶層11磁矩的翻轉，也就是寫操作。在初始狀態下，記憶層11和參考層13的磁矩是相互平行的，因此自旋扭矩效應為零。熱擾動使得兩層磁矩產生一個小的夾角，從而產生一個小的自旋扭矩效應。而自旋扭矩效應又反過來進一步擴大兩層磁矩的夾角，從而形成一個正反饋的物理過程，最終實現記憶層11磁矩的翻轉。該物理過程的缺點是能耗效率低，而且速度較慢，因此制約了STT-MRAM整體功耗和速度的進一步優化。

過往專利中提到過采用磁性字線或磁性寫線的結構(CN200380105441、CN200810098862)。CN200380105441中公開的磁性寫線的工作方式如圖7所示，寫線電流71和字線電流72將產生環繞在寫線和字線周圍的奧斯特磁場，寫線電流71和字線電流72所產生的磁場在兩條線交叉的部分，即磁隧道結記憶層所在的位置疊加產生磁場來翻轉記憶層磁矩，從而實現對存儲單元的寫入。該發明采用老式的磁場編程方法寫電流并不流過磁性隧道結單元。其寫入機制并非自旋扭距效應，無法實現同等高效的寫入操作。該發明提出采用磁性位線的方案僅用于防止材料再高電流密度下的電遷移現象。另外該專利公布的磁性寫線可以承受較高的電流密度，但由于磁性寫線電阻率較高，將增加存儲器的功耗、降低寫入速度。