磁阻式存儲單元結構及磁阻式隨機存取存儲器電路的製作方法
2023-05-17 07:24:31
專利名稱：磁阻式存儲單元結構及磁阻式隨機存取存儲器電路的製作方法
技術領域：
本實用新型是有關於一種磁阻式隨機存取存儲器，特別是有關於一種磁阻式存儲單元結構及磁阻式隨機存取存儲器的編程電路。
背景技術：
磁阻式隨機存取存儲器(Magnetic Random Acces s Memory，以下簡稱為MRAM)是一種金屬磁性材料，其抗輻射性比半導體材料要高出許多，屬於非揮發性存儲器(Non-volatile Random Access Memory)，和動態隨機存取存儲器(DRAM)或者靜態隨機存取存儲器(SRAM)材料不同，當計算機斷電、關機的時候，仍然可以保持存儲性。
MRAM屬於非揮發性存儲器，是以磁電阻特性儲存記錄信息，具有低耗能、非揮發、永久特性。其運作的基本原理與在硬碟上存儲數據一樣，數據以磁性的方向為依據，存儲為0或1，所儲存的數據具有永久性，直到被外界的磁場影響之後，才會改變這個磁性數據。
圖1A及圖1B是顯示MRAM單元的結構示意圖。電流可垂直由一電磁層102透過絕緣層(tunnel junction)104流過(或穿過)另一電磁層106。自由磁軸層(free layer)102的磁軸方向是受到外部施加磁場的影響而變化，而固定磁軸層(pinned layer)106的磁軸方向固定，其磁軸方向分別如圖1A及圖1B的標號108A及108B所示。當自由磁軸層102與固定磁軸層106的磁軸方向為同一方向時(如圖1A所示)，MRAM單元會有低電阻的情況，而當自由磁軸層102與固定磁軸層106為不同方向時，則MRAM單元便會有具有高電阻的特質。
圖2是顯示外部磁場與MRAM單元切換條件的關係圖。縱向磁場H1的方向約略與自由磁軸層102的磁軸方向平行，而橫向磁場Ht的方向約略與自由磁軸層102的磁軸方向正交。在沒有橫向磁場Ht的情況下，而縱向磁場H1為H0時，將導致自由磁軸層102的磁軸方向切換。若有橫向磁場Ht的存在，此時使自由磁軸層102的磁軸方向切換的臨界值將降低，因此，施加較H0小的縱向磁場H1即可使MRAM單元切換其導通狀態。
如上所述，自由磁軸層102的磁軸方向決定了MRAM單元的導通狀態(高電阻與低電阻)。在虛線所形成的區域A中，MRAM單元呈第一導通狀態(以高阻抗為例)，而在區域A以外的部分，MRAM單元將受到磁場的影響而切換為另一導通狀態(以低阻抗為例)。
圖3是顯示自由磁軸層102的磁場方向示意圖。當要將自由磁軸層102的磁軸向量M切換至另一方向時，受到以下的因素所影響。若外加磁場Hext超過一臨界磁場時，將導致自由磁軸層102的磁軸向量M偏轉。首先分析磁軸向量M於X方向與Y方向的分量。
磁軸向量M於X方向的分量為HDx＝Mxt/L＝Mt/Lcosθ磁軸向量M於Y方向的分量為HDy＝Myt/W＝Mt/Wcosθ其中t為自由磁軸層102的厚度，L為自由磁軸層102較長邊的長度，W為自由磁軸層102較短邊的長度，θ為磁軸向量M與自由磁軸層102較長邊的夾角。
決定上述臨界磁場大小的因素除了偏轉自由磁軸層102的磁軸向量M所需的磁場外，尚包括磁軸M於自由磁軸層102兩端所感應出的感應磁場(以「+」，「-」符號表示)，上述感應磁場是發生於自由磁軸層102的兩端，其抑制磁軸M偏轉，意即使得磁軸向量M產生抵抗受外加磁場Hext偏轉的力量。自由磁軸層102於縱軸(X)方向所產生的感應電場為Mt/W，而於橫軸(Y)方向所產生的感應電場為Mt/L。
另外，臨界磁場的大小還受到由磁軸層102本身材料的易軸(easy axis)方向所影響，易軸向量為HK，其形成原因是於半導體製程中受到外界環境的磁場感應而產生。在供應相同外加磁場Hext的情況下，當易軸方向的方向為Y方向時，此時磁軸向量M與自由磁軸層102較長邊的夾角為θ，而當易軸方向的方向為X方向時，此時磁軸向量M與自由磁軸層102較長邊的夾角為θβ。
tanθ-(Hext+HK+Mt/L)/(Mt/W)tanθβ-(Hext+Mt/L)/(Mt/w+HK)由上可知，在相同外加磁場Hext的情況下，tanθ＞tanθβ。可見當易軸向量HK為平行自由磁軸層102較短邊的方向時，磁軸向量M較容易偏轉。亦即，能夠被較小的外加磁場改變方向。
在對MRAM單元寫入數據時，各MRAM單元的自旋反轉磁場是由外部電流所產生的，經由此動作則只有被選擇的MRAM單元的磁軸會進行反轉，而得以順利進行記錄的動作。若自旋反轉所需的外加磁場越小，則可減少電流量，繼而達到節省電力的效果。然而，由於自由電磁層(free layer)內部磁場的緣故，其易軸方是通常是平行於較長之處而增加切換磁軸方向的困難。
發明內容
有鑑於此，為了解決上述問題，本實用新型主要目的在於提供一種磁阻式存儲單元結構及磁阻式隨機存取存儲器電路，磁阻式存儲單元的自由電磁層(free layer)的易軸方向是沿著較窄截面的方向延伸，若自由電磁層為矩形，則自由電磁層的易軸方向是與較短邊平行。如此一來，即可降低切換自由電磁層整體磁軸方向所需的外加磁場，並減少編程時所需的編程電流。
為獲致上述的目的，本實用新型提出一種磁阻式存儲單元結構，包括第一電磁層、第二電磁層以及絕緣層。第一電磁層具有固定方向的第一電磁軸，第二電磁層具有可改變方向的第二電磁軸、最大截面以及易軸，而易軸方向大體與最大截面的方向垂直，絕緣層是設置於第一電磁層以及第二電磁層之間。
再者，本實用新型提出一種磁阻式隨機存取存儲器電路，包括以下組件。磁阻式存儲單元且有一固定磁軸層、一自由磁軸層，以及設置於固定磁軸層以及自由磁軸層之間的第一絕緣層，自由磁軸層具有最大截面以及易軸，且易軸方向大體與上述最大截面的方向垂直。位線是耦接自由磁軸層。數據電極是耦接於固定磁軸層。編程線用以提供編程電流。第二絕緣層是設置於數據電極以及編程線之間，編程電流以及流經位線的電流所產生的磁場改變自由磁軸層的磁軸方向，使得磁阻式存儲單元的導通狀態改變。
再者，本實用新型提出一種磁阻式隨機存取存儲器電路，包括以下組件。磁阻式存儲單元具有一固定磁軸層、一自由磁軸層，以及設置於固定磁軸層以及自由磁軸層之間的第一絕緣層，自由磁軸層具有最大截面以及易軸，且易軸方向大體與上述最大截面的方向垂直。位線是耦接自由磁軸層，數據線是耦接於固定磁軸層，具有一第一端點以及一第二端點。開關裝置耦接於第一端點以及一接地點之間，並具有控制閘，字符線耦接於控制閘，用以提供信號以導通開關裝置。編程線耦接於第二端點，用以提供編程電流，當開關裝置導通時，編程電流流經數據線時所產生的磁場改變自由磁軸層的磁軸方向以改變磁阻式存儲單元的導通狀態。
為使本實用新型的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下
圖1A及圖1B是顯示磁阻式存儲單元的詳細結構圖。
圖2是顯示外部磁場與磁阻式存儲單元切換條件的關係圖。
圖3是顯示自由磁軸層102的磁場方向示意圖。
圖4是顯示晶片及其組件的俯視示意圖。
圖5是顯示根據本實用新型第一實施例所述的磁阻式隨機存取存儲器電路的架構圖。
圖6是顯示根據本實用新型第二實施例所述的磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)電路的架構圖。
符號說明102～自由磁軸層、電磁層104～絕緣層106～固定磁軸層、電磁層108A、108B～標號40～晶片42～箭號43A、43B～標號50A、50B、60A、60B～磁阻式隨機存取存儲單元52～電極53～絕緣層54、64A、64B～電晶體56A、56B、PL～編程線62～資料線620、622～端點A區域Bn～位線H1、H0～縱向磁場HI～感應磁場
Ht～橫向磁場Hext～外加磁場Iw～編程電流L～長度M～磁軸向量t～厚度W～寬度Wm、Wm+1～字符線θ～夾角具體實施方式
根據本實用新型實施例所述的磁阻式隨機存取存儲裝置，其自由磁軸層的易軸是沿著較窄橫截面的方向設置，藉以降低切換磁軸方向時所需的外加磁場。
圖4是顯示晶片及其組件的俯視示意圖。以承持晶片的儀器為例(例如濺鍍設備)，其內部具有磁場，因此於製程中會於晶片40上產生感應磁場，感應磁場HI方向以箭號42為例。當自由磁軸層的配置如號43A所示時，則易軸方向將大體平行於其較寬的截面；當自由磁軸層的配置如標號43B所示時，則易軸方向將平行於其較窄的截面。在此特別註明的是，自由磁軸層的形狀可為矩形或橢圓形等，然而大體上一定會有最長的截面以及與其正交的截面，此為磁性組件的特性所致。
第一實施例圖5是顯示根據本實用新型第一實施例所述的磁阻式隨機存取存儲器電路的架構圖。
磁阻式隨機存取存儲單元(MRAM單元)50A及50B的頂部是耦接於位線Bn，而其底部是耦接於電極52。電晶體54的柵極是耦接於字符線(Wm，Wm+1)，源極是接地，而其汲極是分別耦接於對應的電極52。用以寫入數據的編程線(56A、56B)與電極52之間具有一絕緣層53，用以隔離編程線56A、56B與電極52。
MRAM單元的結構如圖1A及圖1B所示。電流可垂直由一電磁層102透過絕緣層(tunnel junction)104流過(或穿過)另一電磁層106。自由磁軸層(free layer)102的磁軸方向是受到外部施加磁場的影響的而變化，而固定磁軸層(pinned layer)106的磁軸方向固定，其磁軸方向分別如圖1A及1B圖的標號108A及108B所示。當自由磁軸層102與固定磁軸層106的磁軸方向為同一方向時(如圖1A所示)，MRAM單元會有低電阻的情況，而當自由磁軸層102與固定磁軸層106為不同方向時，則MRAM單元便會有具有高電阻的特質。
根據本實用新型第一實施例所述的磁阻式隨機存取存儲單元，其內部的自由磁軸層的易軸方向是大體垂直於其最大的截面，因此磁軸向量M的方向較容易改變。
在寫入步驟中，以選取MRAM單元50A為例，編程線56A所提供的編程電流所產生的磁場，再結合選取MRAM單元50A時於流經位線Bn的電流所產生的磁場，即可改變MRAM單元50A的導通狀態。
在讀取MRAM數據時，以MRAM單元50A為例，此時字符線Wm導通電晶體54，而根據MRAM單元50A的導通狀態對阻抗的影響，藉由偵測位線Bn的電壓值即可讀取MRAM單元50A所儲存的數據。
第二實施例圖6是顯示根據本實用新型第二實施例所述的磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)電路的架構圖。磁阻式存儲單元60A及60B(或稱磁性信道接面單元)的內部結構如圖1A所示，具有固定磁軸層106、自由磁軸層102，以及設置於固定磁軸層106以及自由磁軸層102之間的絕緣層(magnetic tunnelingjunction)104，而磁阻式存儲單元60A及60B的磁阻(magneto-resistance)是由固定磁軸層106以及自由磁軸層102的磁軸方向所決定。當自由磁軸層102與固定磁軸層106的磁軸方向為同一方向時，MRAM單元會有低電阻的情況，而當自由磁軸層102與固定磁軸層106為不同方向時，則MRAM單元便會有具有高電阻的特質。
MRAM單元60A及60B的自由磁軸層102是電性連接於以一既定方向配置的位線Bn』而MRAM單元60A及60B的固定磁軸層106是分別電性連接於數據線62A及62B。
與第一實施例相同，根據本實用新型第二實施例所述的磁阻式隨機存取存儲單元，其內部的自由磁軸層的易軸方向是大體垂直於其最大的截面，因此磁軸向量M的方向較容易改變。
再者，數據線62可為MRAM單元的一部分，例如與固定磁軸層106一體成型，或者是位於固定磁軸層、抗強磁層或其它金屬材料之下。數據線62的尺寸相較於磁阻式存儲單元最寬的部分來說，並不會太大。當電流流經數據線62時，會產生磁場。由於自由磁軸層102與數據線62的距離僅為幾個埃(angstrom)(範圍約為8-15埃)，因此能夠接收到很大的磁場。故，相較於第一實施例，根據本實用新型第二實施例所述的架構下，僅需少量的編程電流Iw即可改變自由磁軸層102的磁軸方向，再將上易軸方向的調整，更減少編程電流Iw的大小，因此達到省電的效果。
另外，數據線62與MRAM單元60A的距離甚小於其與MRAM單元60B的距離，由於磁場大小與距離的平方成反比，因此數據線62對MRAM單元60A的影響遠大於對MRAM單元60B的影響，因此可避免發生編程錯誤的情形。
電晶體64A及64B的柵極是分別耦接顧以垂直上述既定方向配置的字符線(Wm，Wm+1)，源極是接地。由於電晶體64A及64B的電性連接關係相同，因此以額僅討論電晶體64A的連接關係。電晶體64A的汲極是耦接於資料線62A的一端620。編程線PL是耦接於數據線62A端622，用以提供編程電流Iw。
當要於MRAM單元60A寫入數據時，此時存儲數組的周邊電路選取編程線PL以及字符線Wm，因此電晶體64A導通，編程線PL所提供的編程電流Iw流經數據線62A，並經由導通的電晶體64A而流至接地點。此時，編程電流Iw流經數據線62A時所產生的磁場改變自由磁軸層102的磁軸方向，使得MRAM單元60A的導通狀態由高阻抗狀態改變為低阻抗狀態，或由低阻抗狀態改變為高阻抗狀態。
在讀取MRAM數據時，以MRAM單元60A為例，此時字符線Wm導通電晶體64A，而根據MRAM單元60A的導通狀態對阻抗的影響，藉由偵測位線Bn的電壓值即可讀取MRAM單元60A所儲存的數據。
根據本實用新型實施例所述的磁阻式隨機存取存儲器電路，參閱圖3，若易軸磁場HK為50e，而外加磁場Hext為100e時，在自由磁軸層106的長寬比例L/W為1(μm)/0.5(μm)，而磁軸向量的值M與厚度t乘積為1.0e-4emu/cm的情況下，當易軸磁場HK的方向為y方向時(即沿著較窄載面的方向延伸)，此時，磁軸向量M與自由磁軸層102較長邊的夾角θ為85°；當易軸磁場HK的方向為x方向時(即沿著較寬截面的方向延伸)，此時，磁軸向量M與自由磁軸層102較長邊的夾角θ為57°，顯見當易軸磁場HK的方向沿著較寬截面的方向設置時，磁軸向量M的方向較容易被改變。
綜上所述，根據本實用新型實施例所述的磁阻式存儲單元，其自由電磁層易軸方向是大體垂直於其最大的截面，因此可降低切換自由電磁層整體磁軸方向所需的外加磁場，並減少編程時所需的編程電流。
本實用新型雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本實用新型的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本實用新型之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本實用新型的保護範圍當視權利要求範圍所界定為準。
權利要求1.一種磁阻式存儲單元結構，其特徵在於包括一第一電磁層，具有固定方向的第一電磁軸；一第二電磁層，具有可改變方向的第二電磁軸、一最大截面以及一易軸，其中上述易軸方向與上述最大截面的方向垂直；以及一絕緣層，設置於上述第一電磁層以及第二電磁層之間。
2.一種磁阻式隨機存取存儲器電路，其特徵在於包括一磁阻式存儲單元，具有一固定磁軸層、一自由磁軸層以及設置於上述固定磁軸層以及自由磁軸層之間的第一絕緣層，其中上述自由磁軸層具有一最大截面以及一易軸，且上述易軸方向與上述最大截面的方向垂直；一位線，以一既定方向配置，用以耦接上述自由磁軸層；一數據電極，耦接於上述固定磁軸層；一編程線，用以提供一編程電流；以及一第二絕緣層，設置於上述數據電極以及編程線之間，其中，上述編程電流以及流經上述位線的電流所產生的磁場改變上述自由磁軸層的磁軸方向，使得上述磁阻式存儲單元的導通狀態改變。
3.根據權利要求2所述的磁阻式隨機存取存儲器電路，其特徵在於上述磁阻式存儲單元為矩形。
4.根據權利要求3所述的磁阻式隨機存取存儲器電路，其特徵在於上述易軸方向平行於上述矩形的較短邊。
5.一種磁阻式隨機存取存儲器電路，其特徵在於包括一磁阻式存儲單元，具有一固定磁軸層、一自由磁軸層，以及設置於上述固定磁軸層以及自由磁軸層之間的絕緣層，其中上述自由磁軸層具有一最大截面以及一易軸，上述易軸方向與上述最大截面的方向垂直；一位線，以一既定方向配置，用以耦接上述自由磁軸層；一數據線，耦接於上述固定磁軸層，具有一第一端點以及一第二端點；一開關裝置，耦接於上述第一端點以及一接地點之間，並具有一控制閘；一字符線，以垂直上述既定方向配置，並耦接於上述控制閘，用以提供一信號以導通上述開關置；以及一編程線，耦接於上述第二端點，用以提供編程電流，當上述開關裝置導通時，上述編程電流流經上述數據線，並經由上述開關裝置而流至接地點，而上述編程電流流經上述數據線時所產生的磁場改變上述自由磁軸層的磁軸方向，使得上述磁阻式存儲單元的導通狀態改變。
6.根據權利要求5所述的磁阻式隨機存取存儲器電路，其特徵在於上述磁阻式存儲單元為矩形。
7.根據權利要求6所述的磁阻式隨機存取存儲器電路，其特徵在於上述易軸方向大體平行於上述矩形成較短邊。
8.根據權利要求5所述的磁阻式隨機存取存儲器電路，其特徵在於上述第一位線於上述編程電流流經上述資料線時是浮接。
9.根據權利要求5所述的磁阻式隨機存取存儲器電路，其特徵在於上述固定磁軸層與上述資料線是一體成型。
10.根據權利要求5所述的磁阻式隨機存取存儲器電路，其特徵在於上述數據線與自由磁軸層的距離是位於8埃至15埃之間。
專利摘要一種磁阻式隨機存取存儲器電路，包括以下組件磁阻式存儲單元具有一固定磁軸層、一自由磁軸層，以及設置於固定磁軸層以及自由磁軸層之間的第一絕緣層，自由磁軸層具有最大截面以及易軸，且易軸方向大體與上述最大截面的方向垂直。位線是耦接自由磁軸層，數據線是耦接於固定磁軸層，具有一第一端點以及一第二端點。開關裝置耦接於第一端點以及一接地點之間，並具有控制閘，字符線耦接於控制閘，用以提供信號以導通開關裝置。編程線耦接於第二端點，用以提供編程電流，當開關裝置導通時，編程電流流經數據線時所產生的磁場改變自由磁軸層的磁軸方向以改變磁阻式存儲單元的導通狀態。
文檔編號G11C16/10GK2699433SQ200420048559
公開日2005年5月11日 申請日期2004年4月16日 優先權日2004年4月16日
發明者鄧端理 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司