CN100565699C

CN100565699C - 磁性存储器的资料存取方法

Info

Publication number: CN100565699C
Application number: CNB2006100795004A
Authority: CN
Inventors: 李元仁; 洪建中
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2026-05-09
Also published as: CN101071627A

Abstract

一种磁性存储器的资料存取方法，以双态模式来存取资料。利用第一电流线与第二电流线以提供操作电流。资料存取方法包括一改变资料操作，以改变磁性储存单元的一储存数据。在一第一阶段，同时施加一第一方向的一电流给该第一电流线，以及在该第一方向的一电流给该第二电流线。在停止施加由该第一电流线以及该第二电流线产生的磁场前的一阶段，同时施加该第一方向的一电流给该第一电流线，以及在该第一方向的一电流给该第二电流线以抵消至少一部份的该偏压磁场。

Description

磁性存储器的资料存取方法

技术领域

本发明是有关于一种磁性存储器磁性存储器技术，且特别是有关于一种磁性储存单元的存取操作(access operation)，可以在低操作电流下，准确读取与改变磁性储存单元的储存数据。

背景技术

磁性存储器，例如磁性随机存取存储器(Magnetic Random AccessMemory，MRAM)也是一种非挥发性存储器，有非挥发性、高密集度、高读写速度、抗辐射线等优点。是利用相邻穿遂绝缘层的磁性物质的磁化向量，由于平行或反平行的排列所产生磁电阻的大小来记录0或1的资料。写入资料时，一般所使用的方法为两条电流线，例如位线(Bit Line，BL)及写入字符线(Write Word Line，WWL)感应磁场所交集选择到的磁性储存单元，由改变自由层磁化向量方向，来更改其磁电阻值。而在读取储存资料时，让选择到的磁性储存单元流入电流，从读取的电阻值可以判定储存资料的数字值。

图1绘示一磁性储存单元的基本结构。参阅图1，要存取一磁性储存单元，也是需要交叉且通入适当电流的电流线100、102，其依照操作的方式，又例如称为字符线与位线。当二导线通入电流后会产生二个方向的磁场，以得到所要的磁场大小与方向，以施加在磁性储存单元104上。磁性储存单元104是叠层结构，包括一磁性固定层(magnetic pinned layer)在一预定方向具有固定的磁化向量(magnetization)，或是总磁距(totalmagnetic moment)。利用磁阻的大小，来读取资料。又，由输出电极106、108，可以读出此储存单元所存的资料。关于磁性存储器的操作细节，是一般熟此技术者可以了解，不继续描述。

图2绘示磁性存储器的储存机制。于图2，磁性固定层104a有固定的磁距方向107。磁性自由层104c，位于磁性固定层104a上方，其中间由一绝缘层104b所隔离。磁性自由层104c有一磁距方向108a或是108b。由于磁距方向107与磁距方向108a平行，其产生的磁阻例如代表“0”的资料，反的磁距方向107与磁距方向108b反平行，其产生的磁阻例如代表“1”的资料。

对于一磁性储存单元而言，其磁电阻(R)与磁场H大小的关系，如图3所示。实线代表单一磁性储存单元的磁阻线。然而，磁性储存装置会包含多个储存单元，其每一个储存单元的翻转场大小会有差异，因此磁电阻曲线会有如虚线的变化，这会造成存取错误。图4绘示传统储存单元的数组结构。图4的左图是一数组结构，例如由施加二个方向磁场Hx、Hy，对储存单元140写入资料。右图是自由层的星状图(Asteroid curve)。在实线区域内，由于磁场小，不会改变储存单元140磁化向量的方向。而在实线区域外的一有限区域内的磁场，可适合于磁场翻转的操作。如果磁场太大就会干扰到邻近的单元，也是不适合使用。因此，一般以操作区域144的磁场作为操作磁场。然而，由于其它的储存单元142也会感受到施加的磁场，而由于邻近储存单元142的操作条件变化，此施加的磁场也可能会改变其它储存单元142的储存资料。因此，如图2的单层的自由层104c，会有存取错误的可能。

针对上述等问题，例如美国专利第6,545,906号，为了降低邻近单元在写入资料时的干扰情形，自由层以铁磁(FM)/非磁性金属(M)/铁磁(FM)三层结构的一磁性自由叠层166来取代单层铁磁材料，如图5所示，在非磁性金属层152上下两层的铁磁性金属层150、154，以反平行排列，形成封闭的磁力线。在下面的磁性固定叠层168，由一穿隧绝缘层(tunnelbarrier layer，T)156，与磁性自由叠层166隔开。磁性固定叠层168包括一上固定层(top pinned layer，TP)158、一非磁性金属层160、以及一下固定层(bottom pinned layer，BP)162。在上固定层与下固定层有固定的磁化向量。另外还有一基层164在底部，例如是反铁磁层。

针对三层结构的磁性自由叠层166，把第一写入线与第二写入线相对自由叠层166的磁性异向轴(magnetic anisotropic axis)，使有45度的夹角，其磁场异向轴方向就是所谓的易轴(easy axis)方向。如此，第一写入线与第二写入线可分别对自由叠层166，依照一先后关系，施加与易轴夹角为45度的磁场，以旋转自由叠层166的磁化向量。图6绘示磁场施加的时序。于图6，上图表示易轴(双箭头所示)与磁场方向的相对方向。下图是对于第一写入线与第二写入线施加电流的时序。其中电流

代表会产生相对易轴正45度方向的磁场，即是上图的垂直轴，电流

代表会产生相对易轴负45度方向的磁场，即是上图的水平轴。依照施加电流的时序，则自由叠层166的上下二铁磁层150、154的磁化方向会翻转。这种施加电流的时序，是由二个状态来达成，因此也称为双态模式(togglemode)操作。每经过一次的双态模式操作，自由叠层166的上下二体磁层150、154的磁化方向会反转一次。由于上固定层158的磁化向量方向是固定的，在下铁磁层154的磁化向量方向会平行或是反平行于上固定层158的磁化向量方向，因此可以储存一个二进制(binary)数据。

图7绘示在自由叠层166的上下二铁磁层150、154的磁化向量与外加磁场大小的反应。参阅图7，在(a)的情形，细箭头代表自由叠层166的上下二铁磁层150、154的磁化向量的方向。在(b)的情形，当外加磁场H(粗箭头)小的状况，二磁化向量的方向不会被改变。当外加磁场H增大到适当值时，二磁化向量的方向会于磁场H达到一平衡状态，因此会有一张角，此时的磁场范围就是双态模式下的双态操作区域，其磁化向量的旋转，是利用相互垂直的二个方向的磁场，依照一特定时序的变化(参见图6)。因此磁化向量是以阶段的方式被翻转。然而，如果磁场H太大，二磁化向量的方向就一直被导向与磁场H相同的方向，这不是适当的操作区域。

图8绘示由图6的操作电流所产生的磁场，施加在储存单元上的翻转机制。参阅图8，在时段t0，没有施加磁场，因此在二自由层上的二磁化向量是反平行。在时段t1，一磁场H1，在与易轴方向相隔45度的方向施加于自由叠层。此时，二磁化向量依据施加的磁场方向被转动。在时段t2，同时施加H2的磁场。此H2的磁场方向，相对于易轴方向为-45度方向。因此，如果二个磁场的大小相等，总磁场的方向会在易轴方向。此时，二磁化向量再度被旋转。接着，在时段t3，停止施加磁场H1。此时，总磁场是由磁场H2提供，因此二磁化向量再度被旋转。要注意的是，在时段t3的二磁化向量，相对一轴而言已大致上被反转。于是，在时段t4，当外部磁场消失时，二磁化向量以反平行的状态回到易轴方向，如此二磁化向量被翻转。

图9绘示相对外加磁场的对应操作区域。参阅图9，针对图8的双态操作模式，对应在磁场坐标上的操作区域分类，是属于双态区域97。其它还会有不切换区域92与直接区域95。直接区域95是位在不切换区域92与双态区域97之间，其细节不在此继续描述。

先前技术美国专利第6,633,498，提出减少操作磁场的设计。图10绘示缩减操作磁场的设计示意图。参阅图10，此传统的设计是调整磁性固定叠层的上固定层158与下固定层162的总磁矩170、172的大小，使产生外漏磁场。此外漏磁场会对自由叠层产生一偏压磁场HBIAS，如右图所示。双态操作区域的起始点已向磁场零点接近。其中，要调整总磁矩的大小，依简单的方式可以由厚度来调整。

对于上述的传统方式，虽然磁场HBIAS，其并不是可以无限制的增加。本发明对传统技术详细研究后发现如果偏压磁场HBIAS太强，至少会直接干扰储存单元内所储存的资料，造成资料存取的失败。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种磁性存储器的资料存取方法，在双态模式下操作，可以防止在大偏压磁场下所造成的存取失败机率，因此可以成功在低电流下顺利操作。

本发明提出一种磁性存储器的资料存取方法，适用于对一磁性存储器装置的一磁性储存单元，以一双态模式来存取资料，其中该磁性储存单元结构包括一磁性自由叠层，该磁性自由叠层被施加有一偏压磁场，以该偏压磁场方向为0度，做为一参考方向，其中该磁性存储器装置具有一第一电流线以及一第二电流线，使流过该第一电流线的一正电流产生在+45度方向的磁场，流过该第二电流线的一正电流产生在-45度方向的磁场，其特征在于，该资料存取方法包括：

一改变数据操作，用以改变该磁性储存单元的一储存数据，该改变数据操作包括：

在一第一阶段，同时施加一第一方向的一电流给该第一电流线，以及在该第一方向的一电流给该第二电流线以抵消至少一部份的该偏压磁场；以及

进行一翻转操作，将该磁性自由叠层的一磁化向量反转。

依据一实施例，在上述方法中，该翻转操作包括：

在一第二阶段，同时施加一第二方向的一电流给该第一电流线，以及该第一方向的一电流给该第二电流线；

在一第三阶段，同时施加该第二方向的一电流给该第一电流线，以及该第二方向的一电流给该第二电流线；

在一第四阶段，同时施加该第一方向的一电流给该第一电流线，以及该第二方向的一电流给该第二电流线；以及

在一第五阶段，同时施加该第一方向的一电流给该第一电流线，以及该第一方向的一电流给该第二电流线；

其中该第一方向与该第二方向互为反方向。

依据一实施例，在上述方法中，该第一方向是一正电流方向或是一负电流方向。

依据一实施例，在上述方法中，在该第一阶段之前与在该第五阶段之后，该磁性储存单元处于无外部磁场状态。

依据一实施例，在上述方法中，在该第五阶段中，施加在该磁性储存单元的一总磁场完全抵消该偏压磁场，其中该总磁场由该第一电流线以及该第二电流线产生。

依据一实施例，在上述方法中，在该第一阶段中，施加在该磁性储存单元的一总磁场完全抵消该偏压磁场，其中该总磁场由该第一电流线以及该第二电流线产生。

依据一实施例，在上述方法中，该翻转操作中，在停止施加由该第一电流线以及该第二电流线产生的磁场前的一阶段，同时施加该第一方向的一电流给该第一电流线，以及在该第一方向的一电流给该第二电流线以抵消至少一部份的该偏压磁场。

一写入操作，用以对该磁性储存单元写入一欲写入数据，包括：

在一第一阶段，同时施加一第一方向的一电流给该第一电流线，以及该第一方向的一电流给该第二电流线；

读出该磁性储存单元目前所储存的一目前数据，其中如果该欲写入资料与该目前资料相同，则停止施加所述电流，如果该欲写入资料与该目前资料不相同，则继续进行以下步骤；

在一第四阶段，同时施加该第一方向的一电流给该第一电流线，以及一该第二方向的一电流给该第二电流线；以及

其中该第一方向与该第二方向互为反方向。

依据一实施例，在上述方法中，该第一方向是一负电流方向或是一正电流方向。

依据一实施例，在上述方法中，该在该第五阶段中，施加在该磁性储存单元的一总磁场完全抵消该偏压磁场，其中该总磁场由该第一电流线以及该第二电流线产生。

一读取操作，用以对该磁性储存单元读取所储存的一数据，包括：

同时施加在一方向的一电流给该第一电流线，以及在该方向的一电流给该第二电流线，其中所述电流所产生的一总磁场，用以消除至少一部份该偏压磁场；以及

读出该磁性储存单元目前所储存的该数据。

依据一实施例，在上述方法中，该方向是一负电流方向。

依据一实施例，在上述方法中，施加所述电流之前，该磁性储存单元处于无外部磁场状态。

依据一实施例，在上述方法中，该总磁场完全抵消该偏压磁场。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下，其中：

图1绘示一磁性储存单元的基本结构。

图2绘示磁性存储器的储存机制。

图3绘示磁性储存单元的磁阻(R)与磁场(H)大小的关系。

图4绘示传统储存单元的数组结构。

图5绘示传统储存单元的基本结构。

图6绘示磁场施加的时序。

图7绘示在自由叠层166的上下二铁磁层150、154的磁化向量与外加磁场大小的反应。

图8绘示由图6的操作电流所产生的磁场，施加在储存单元上的翻转机制。

图9绘示二个自由层上的二磁化向量，相对外加磁场的对应操作区域。

图10绘示缩减操作磁场的设计示意图。

图11绘示本发明对图10中的下固定层162的厚度作变化，以微磁学仿真自由层的磁化向量翻转成功的机率。

图12A-12B绘示偏压磁场与外加操作磁场之间的关系示意图。

图13A-13B绘示偏压磁场与理想磁场方向之间差异。

图14绘示解决多余的向量分量的操作磁场的机制示意图。

图15绘示依据本发明所探讨的另一问题。

图16绘示依据本发明实施例，全负脉冲的存取操作模式。

图17绘示依据本发明的操作磁场能提升操作准确度的机制。

具体实施方式

本发明对图10中的下固定层162的厚度作变化，以量测翻转自由层的磁化向量的成功机率，其结果如图11所示。参阅图11，圆点的资料代表厚度为4.3nm的情形。另外，三角形点的资料代表厚度为4.5nm的情形，而方形点的资料代表厚度为5.5nm的情形。厚度愈大则偏压磁场愈大。对应于图6的写入操作磁场，在H1＝H2的条件下，以其一的磁场大小当作横坐标。其中，上固定层158的厚度以3.0nm为参考厚度。对于圆点的分布情形，当磁场约430e时就可以成功翻转自由叠层的一对磁距，其翻转成功机率可以维持在良好的结果。当下固定层162的厚度增加时，如三角形点的分布，其操作磁场可以缩减，而翻转成功机率也可以维持在接受的范围。当下固定层162的厚度更增加到5.5nm时，虽然可以产生强的偏压磁场，以减低翻转所需的磁场，约为170e，然而其翻转成功机率不大于百分的四十，如方形点的分布。因此，下固定层162的厚度有一个极限厚度，若超过此厚度则无此组件无法顺利操作。

本发明发现此问题后，继续探讨可能机制与解决方法。图12A-12B绘示偏压磁场与外加操作磁场之间的关系示意图。参阅图12A，由于磁场是可相加的向量。针对图8的三个时段t1-t3，相对易轴方向所施加的三个磁场1200、1202、1204。虚线的方向代表与易轴所夹的角度，为45度。参阅图12B，在储存单元的固定叠层的外漏磁场，会对自由叠层施加一偏压磁场1206。因此，在三个时段t1-t3的总磁场分别是1208、1210、1212。明显地、在t1与t3的总磁场1208、1212不是在预期的理想方向上。这就是造成翻转失败的可能原因之一。

在找出可能原因之后，本发明继续分析其机制，以寻求可以解决的方式。图13A-13B绘示偏压磁场与理想磁场方向之间差异。参阅图13A，将偏压磁场1206分解成在45度的二个向量分量1206a、1206b，其中会使总磁场的方向偏离的仅是其中一向量分量。参阅图13B，在时段t1(左图)，由于向量分量1206b是在预期的理想方向上，因此，实际预期的操作磁场可以减少，即是写入电流可以减小，但是实际在45度方向所得到的有效磁场1220，仍足够大。而要考虑的问题简化成如何克服多余的向量分量1206a。在时段t2(中图)，由于偏压磁场就在一轴方向，因此得到有效磁场1222。在时段t3(右图)，于时段t1类似，多余的向量分量1206b需要被解决，以得到有效磁场1224。

图14绘示解决多余的向量分量的操作磁场的机制示意图。参阅图14，在时段t1的情形，由于多余的向量分量1206a是在45度的虚线上，其对应磁场H2的控制。如此，对于磁场H2的操作，在时序上可以先产生一反向磁场1300，也就是施加反向的电流。如此，反向磁场1300至少可以抵消一部份的向量分量1206a。较佳的情形是完全抵消向量分量1206a。类似地、在时段t3的情形，反向磁场1302至少可以抵消一部份的向量分量1206b。较佳的情形是完全抵消向量分量1206b。图14的操作方式，又称为双负脉冲的操作方式。

图15绘示依据本发明所探讨的另一问题。参阅图15，如果偏压磁场1206太大，则已足以影响自由层的磁化向量1310、1312。为达到平衡，磁化向量1310、1312已被偏压磁场1206影响，而有一张角。由于磁化向量1310、1312在未施加操作磁场前已被转动，因此会造成翻转的失败。又，如果自由层的磁化向量1310、1312，在制造时已预先有一偏差，则也会使得在双态操作下，其磁化向量不是预期的被旋转，因此造成存取错误。

图16绘示依据本发明实施例，全负脉冲的存取操作模式。参阅图16，针对一个翻转的操作，在时段t0，储存单元是处在无外加磁场的环境。图16的上图是在时段t1-t5的磁场方向相对偏压磁场1206方向的示意图。磁场H1是施加写入磁场1400a的时序关系，磁场H2是施加写入磁场1400b的时序关系。为了避免偏压磁场1206的影响，在时段t1，于二个45度方向施加写入磁场1400a、1400b，其用以至少抵消一部份的偏压磁场1206，或是较佳地，完全抵消偏压磁场1206。负的磁场脉冲，由施加负电流或是反向电流给对应的电流线来达成。在时段t2，由于负磁场脉冲仍维持，因此仍有写入磁场1400b，其可以消除偏压磁场1206的多余分量。在时段t3，写入磁场1400a、1400b都是正磁场脉冲。在时段t4，写入磁场1400a是负磁场脉冲，以消除偏压磁场1206的多余分量。在时段t5，与时段t1一样，而后在时段t6，停止施加磁场。

图17绘示依据本发明的操作磁场能提升操作准确度的机制。在图17中，图(a)与图(b)是传统的情形，由于没有负磁场的操作，因此在初始与结束时状态，都没有消除偏压磁场1206的机制，导致失败。图(c)与图(d)是本发明的情形，因为有负磁场的操作，可以在初始与结束时状态消除偏压磁场1206的效应，因此可以有效增加翻转成功的准确率。

上述如图16的操作磁场，主要是针对改变储存单元的内容。如果针对存取操作中的写入操作而言，可以在时段t1，先读取储存单元的内容。如果要写入的资料与目前的资料相同，则不需进行后续翻转的操作。如果要写入的资料与目前的资料不相同，则才需进行后续翻转的操作，以改变资料内容。

换句话说，在读取资资料时，本发明提出可以施加相反的磁场，以至少消除一部份的偏压磁场，或是完全消除偏压磁场，使读出的准确度增加。

综上所述，在本发明提出如图16的操作磁场，由于时段t1，较佳地配合时段t6的操作，允许由增加偏压磁场，而进一步减少写入电流。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定的为准。

Claims

1.一种磁性存储器的资料存取方法，适用于对一磁性存储器装置的一磁性储存单元，以一双态模式来存取资料，其中该磁性储存单元结构包括一磁性自由叠层，该磁性自由叠层被施加有一偏压磁场，以该偏压磁场方向为0度，做为一参考方向，其中该磁性存储器装置具有一第一电流线以及一第二电流线，使流过该第一电流线的一正电流产生在+45度方向的磁场，流过该第二电流线的一正电流产生在-45度方向的磁场，其特征在于，该资料存取方法包括：

进行一翻转操作，将该磁性自由叠层的一磁化向量反转。

2.如权利要求1所述的磁性存储器的资料存取方法，其特征在于，其中该翻转操作包括：

其中该第一方向与该第二方向互为反方向。

3.如权利要求2所述的磁性存储器的资料存取方法，其特征在于，其中该第一方向是一正电流方向或是一负电流方向。

4.如权利要求2所述的磁性存储器的资料存取方法，其特征在于，其中在该第一阶段之前与在该第五阶段之后，该磁性储存单元处于无外部磁场状态。

5.如权利要求2所述的磁性存储器的资料存取方法，其特征在于，其中在该第五阶段中，施加在该磁性储存单元的一总磁场完全抵消该偏压磁场，其中该总磁场由该第一电流线以及该第二电流线产生。

6.如权利要求1所述的磁性存储器的资料存取方法，其特征在于，其中在该第一阶段中，施加在该磁性储存单元的一总磁场完全抵消该偏压磁场，其中该总磁场由该第一电流线以及该第二电流线产生。

7.如权利要求1所述的磁性存储器的资料存取方法，其特征在于，其中该翻转操作中，在停止施加由该第一电流线以及该第二电流线产生的磁场前的一阶段，同时施加该第一方向的一电流给该第一电流线，以及在该第一方向的一电流给该第二电流线以抵消至少一部份的该偏压磁场。

8.一种磁性存储器的资料存取方法，适用于对一磁性存储器装置的一磁性储存单元，以一双态模式来存取资料，其中该磁性储存单元结构包括一磁性自由叠层，该磁性自由叠层被施加有一偏压磁场，以该偏压磁场方向为0度，做为一参考方向，其中该磁性存储器装置具有一第一电流线以及一第二电流线，使流过该第一电流线的一正电流产生在+45度方向的磁场，流过该第二电流线的一正电流产生在-45度方向的磁场，其特征在于，该资料存取方法包括：

其中该第一方向与该第二方向互为反方向。

9.如权利要求8所述的磁性存储器的资料存取方法，其特征在于，其中该第一方向是一负电流方向或是一正电流方向。

10.如权利要求8所述的磁性存储器的资料存取方法，其特征在于，其中在该第一阶段之前与在该第五阶段之后，该磁性储存单元处于无外部磁场状态。

11.如权利要求8所述的磁性存储器的资料存取方法，其特征在于，其中在该第一阶段中，施加在该磁性储存单元的一总磁场完全抵消该偏压磁场，其中该总磁场由该第一电流线以及该第二电流线产生。

12.如权利要求8所述的磁性存储器的资料存取方法，其特征在于，其中该在该第五阶段中，施加在该磁性储存单元的一总磁场完全抵消该偏压磁场，其中该总磁场由该第一电流线以及该第二电流线产生。

13.一种磁性存储器的资料存取方法，适用于对一磁性存储器装置的一磁性储存单元，以一双态模式来存取资料，其中该磁性储存单元结构包括一磁性自由叠层，该磁性自由叠层被施加有一偏压磁场，以该偏压磁场方向为0度，做为一参考方向，其中该磁性存储器装置具有一第一电流线以及一第二电流线，使流过该第一电流线的一正电流产生在+45度方向的磁场，流过该第二电流线的一正电流产生在-45度方向的磁场，其特征在于，该资料存取方法包括：

读出该磁性储存单元目前所储存的该数据。

14.如权利要求13所述的磁性存储器的资料存取方法，其特征在于，其中该方向是一负电流方向。

15.如权利要求13所述的磁性存储器的资料存取方法，其特征在于，其中施加所述电流之前，该磁性储存单元处于无外部磁场状态。

16.如权利要求13所述的磁性存储器的资料存取方法，其特征在于，其中该总磁场完全抵消该偏压磁场。