CN100429721C - 一种基于垂直电流写入的磁随机存取存储器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于垂直电流写入的磁随机存取存储器及其控制方法，该MRAM单元中的信息写入操作由一个平行于磁性薄膜存储单元MFC的电流以及另一个垂直于磁性薄膜存储单元MFC并流经该单元的电流所产生的磁场的共同作用来完成。这种结构的优点在于，取消了现有技术中专门用于信息写入的一条字线，减少了金属布线层以及接触孔的数目，降低了MRAM结构的复杂性、制造工艺的难度及其成本。
Description
技术领域
由最近发展起来的磁电阻效应多层薄膜可构成随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)中的记忆单元，这种RAM即是所谓的磁电阻随机存取存储器(Magnetoresistive RAM)，简称MRAM。本发明所涉及的是实现MRAM中信息写入的一种新方法。
背景技术
一、MRAM中的磁性薄膜存储单元MFC(Magnetic Film Cell)
作为MRAM的存储单元，磁性薄膜中至少包含这样的一个薄膜机构：[F1/NF/F2]。其中F1和F2表示两个磁性材料层，NF表示非磁性材料层，NF层介于F1层和F2层之间。F1和F2中有且仅有一层的磁化方向被外界某层或数层的材料所固定(称为被钉扎层)，因而不能在小的外磁场作用下随意变化；而另外一层为软磁层，其磁化方向可在小的外磁场作用下发生变化(称为自由层)。非磁性材料层的厚度很小，典型的厚度在0.5nm与3.0nm之间。以这样的磁性薄膜作为存储单元，当F1、F2的磁化方向相同时，磁性薄膜存储单元MFC表现出低的电阻状态；而当F1、F2的磁化方向相反时，磁性薄膜存储单元MFC则表现出高的电阻状态。
因此，磁性薄膜存储单元MFC存在着两个稳定的电阻状态，通过改变磁性薄膜存储单元MFC中自由层相对于被钉扎层的磁化方向，即可使之记录信息；而通过检测磁性薄膜存储单元MFC的电阻状态，即可获取其保存的信息。
二、典型的MRAM单元结构
目前通常采用的磁性薄膜存储单元MFC的结构如图1所示。该MRAM结构配置在半导体衬底上，共需要三个金属布线层M1、M2、M3和一个过渡金属层TM。除了读字线RWL，其地线GND、写字线WWL和位线BL分别处于不同的金属布线层中。磁性薄膜存储单元MFC通过过渡金属层TM、金属布线层M2、M1以及相关接触孔与晶体管ATR的漏区相连接，而晶体管ATR的源区则和地线GND连接，晶体管ATR的栅极同时也是读字线RWL。
磁性薄膜存储单元MFC中信息的写入由位线BL和写字线WWL来协同完成。当位线BL和写字线WWL以一定的时序关系通过写入工作电流时，两者的电流所产生的磁场的合成磁场将使磁性薄膜存储单元MFC中自由层的磁化方向翻转到特定的方向，该磁化方向在撤销位线BL、写字线WWL的电流之后能够稳定在其两个稳定状态中被期望的一个状态。由此即实现了磁性薄膜存储单元MFC中信息的写入并保存。
读取磁性薄膜存储单元MFC中的信息则由读字线RWL来控制。在允许读取时，控制读字线RWL在一个合适的电平上，使得晶体管ATR导通。此时存在一个由位线BL(金属布线层M3)经磁性薄膜存储单元MFC、过渡金属层TM、接触孔、金属布线层M2、接触孔、金属布线层M1、接触孔、晶体管ATR漏区、晶体管ATR源区而至地线GND的电气通路。因此，由位线BL给一个合适的读电流，即可提取磁性薄膜存储单元MFC当前的电阻状态。由此即实现了磁性薄膜存储单元MFC中信息的读出。
如上所述，该种结构的MRAM需要多达三个的金属布线层以及一个过渡金属层来形成其电气连接，使得MRAM的制造工艺复杂、成本高。另外，在制造磁性薄膜存储单元MFC之前，衬底上已经经过了数次的沉积、布线、打孔、绝缘介质填埋等工艺操作，使得磁性薄膜存储单元MFC制造面的表面平整性较差，必须进行特殊的表面抛平工艺处理(比如化学机械抛光CMP，Chemical-Mechanical Polishing)才能满足磁性薄膜存储薄膜对其衬底表面平整性的特殊要求，这也是一个增加工艺难度和制造成本的问题。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种基于垂直电流写入的磁随机存取存储器的控制方法；本发明进一步地还提供基于本发明控制方法的存取存储器。
为达到上述目的，本发明一种基于垂直电流写入的磁随机存取存储器的控制方法具体为：磁随机存取存储器磁性薄膜存储单元MFC中的信息写入操作由一个平行于磁性薄膜存储单元MFC的电流以及另一个垂直于磁性薄膜存储单元MFC、并流经该单元的电流所产生的磁场的共同作用来完成。
实现上述磁随机存取存储器的控制方法的一种磁随机存取存储器，包括：晶体管ATR单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；磁性薄膜存储单元MFC构成的存储单元阵列；过渡金属层，所述磁性薄膜存储单元MFC经由该过渡金属层和所述晶体管ATR单元相连接；以及字线WL(Word Line)和位线BL(Bit Line)，所述字线WL同时也是所述晶体管ATR的栅极，所述位线BL布置在所述磁性薄膜存储单元MFC的上方，与所述字线WL相互垂直，与所述磁性薄膜存储单元MFC直接相连，并且与磁性薄膜存储单元MFC的易磁化方向垂直。在MRAM阵列中的每一条所述位线BL上设置一个限流机构，它的作用是限定其所在电流通路所能经过的最大电流。
实现上述磁随机存取存储器的控制方法的另一种磁随机存取存储器，包括：晶体管ATR单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；磁性薄膜存储单元MFC构成的存储单元阵列；过渡金属层，所述磁性薄膜存储单元MFC经由该过渡金属层和所述晶体管ATR单元相连接；以及字线WL和两条位线BL1、BL2，所述字线WL同时也是所述晶体管ATR的栅极，所述两条位线BL1、BL2布置在所述磁性薄膜存储单元MFC的上方，位线BL1与所述字线WL相互垂直，并且与磁性薄膜存储单元MFC的易磁化方向垂直，位线BL2与所述磁性薄膜存储单元MFC直接相连，并且由一绝缘层与位线BL1相互隔离。
实现上述磁随机存取存储器的控制方法的第三种磁随机存取存储器，包括：晶体管ATR单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；磁性薄膜存储单元MFC构成的存储单元阵列；接触孔与过渡金属层，所述磁性薄膜存储单元MFC经由该接触孔与过渡金属层和所述晶体管ATR单元相连接；以及两条字线WL1、WL2和位线BL，所述字线WL1同时也是所述晶体管ATR的栅极，所述字线WL2与所述位线BL布置在所述磁性薄膜存储单元MFC的上方，所述位线BL与所述字线WL2相互垂直，并且与磁性薄膜存储单元MFC的易磁化方向垂直，字线WL2与所述磁性薄膜存储单元MFC直接连接，并且由一绝缘层与位线BL相互隔离。
本发明通过采用新的垂直电流写入方法，取消了现有技术中专门用于信息写入的一条字线，减少了金属布线层以及接触孔的数目，大大降低了MRAM结构的复杂性、制造工艺的难度及其成本。
附图说明
图1是现有技术的磁随机存取存储器MRAM单元结构的三维示意图；
图2是面平均分布垂直电流在面内产生的磁场矢量分布示意图；
图3是面随机分布垂直电流在面内产生的磁场矢量分布示意图；
图4是面趋肤分布垂直电流在面内产生的磁场矢量分布示意图；
图5是面分布垂直电流在面内产生的磁场与一恒定外磁场的合成磁场矢量在面内的分布示意图；
图6是合成磁场矢量与特征翻转曲线相互关系的示意图；
图7是本发明采用垂直电流写入方式的磁随机存取存储器实施例1的MRAM单元结构示意图；
图8是本发明的实施例1的MRAM单元结构的第一剖视图；
图9是本发明的实施例1的MRAM单元结构附加位线电流限流机构的整体示意图；
图10是本发明中垂直写入电流与平行写入电流在磁性薄膜存储单元MFC处产生的空间磁场示意图；
图11是本发明采用垂直电流写入方式的磁随机存取存储器实施例2的MRAM单元结构示意图；
图12是本发明的实施例1的MRAM单元结构的第一剖视图；
图13是本发明采用垂直电流写入方式的磁随机存取存储器实施例2之变形例的MRAM单元结构示意图；
图14是本发明的实施例2之变形例的MRAM单元结构的第一剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
MRAM中垂直电流写入方法：
本方法所谓的垂直电流指的是与磁性薄膜存储单元MFC的表面垂直且经过单元的电流，该电流毫无疑问也将在磁性薄膜存储单元MFC内产生磁场。并且，由于该电流流经磁性薄膜存储单元MFC内部，因此可由相对较小的电流产生较大的磁场。
由于磁性薄膜存储单元MFC是一种多层膜结构的磁性单元，在其制备过程中可因工艺的不可控因素而引入单元中电阻率分布的不均匀。因此，该垂直电流在流经单元时，理论上可存在点分布、面分布的电流密度分布形式，前者指电流强度集中于一个或者几个尺度极微小的点上流经磁性薄膜存储单元MFC，这往往是由于单元的薄膜本身具有极大的不均匀性所引起，而这样的单元也不宜作为存储单元来工作，故而点电流的分布可以不予考虑。在面内分布的电流一般也有几种可能，比如面内平均分布、面内不均匀随机分布等，高频电流时通常的趋肤电流在这里也可看作一种面内的不均匀分布。
以一个矩形平面为例，计算表明面平均、随机、趋肤分布的电流产生的磁场分布如图2、3、4所示(→表示磁场矢量)，可见它们基本上呈现以平面中心为中心的环行分布。如果在该环行分布的磁场上再叠加一个强度再大一些的恒定外场，则合成磁场在面内的分布使呈以外场方向为中心的某一张角范围内取向的分布，以趋肤分布为例，如图5所示。显然，该取向的张角通过调整经过单元的电流大小以及外加恒定磁场强度的大小可以调节。
如果把图2至5中的平面看作是磁性薄膜存储单元MFC的自由层平面(平面形状不一定局限于矩形，圆形或椭圆等形状均可)，再把磁性薄膜存储单元MFC剖分成若干个更小的、均匀磁化的剖分单元，则如果磁性薄膜存储单元MFC性质一致，那么各剖分单元都将在相同的翻转磁场下实现磁化翻转，即它们的特征翻转曲线是一致的。因此，比较各剖分单元所在位置处的合成的磁场矢量是否落于单元特征翻转曲线的外部，即可判断该剖分单元能否在该合成磁场下实现磁化翻转。而如果磁性薄膜存储单元MFC中的全部或大部分剖分单元能够在该合成磁场下实现翻转，那么，在合成磁场撤除之后，该存储单元的磁化方向也将实现翻转，也即实现信息的写入。计算表明，通过适当调整垂直电流以及外部恒定磁场的大小，可以实现使大部分剖分单元处的合成磁场矢量落于特征翻转曲线的外部，如图6所示(其中，→表示合成磁场矢量，x轴和y轴的单位为Oe)。因此，采用垂直电流作为实现写入操作的合成磁场的一部分是一种可行的方法。
实施例1：
如图7、图8所示，MRAM存储器中的磁性薄膜存储单元MFC阵列由大量的MRAM单元1组合而成，在一个MRAM单元1中，包括一个磁性薄膜存储单元MFC2、晶体管ATR 4、过渡金属层3b、接触孔3e与3f和一组布线，即：位线BL 3a、字线WL 3d以及地线GND 3c。磁性薄膜存储单元MFC2与晶体管ATR 4通过过渡金属层3b相互连接。在布局上将位线BL 3a布置在磁性薄膜存储单元MFC2的上方并且与磁性薄膜存储单元MFC2直接相连，同时与磁性薄膜存储单元MFC2的易磁化方向相互垂直。
如图8所示，整个MRAM单元1由若干层5a、5b、5c、5d、5e构成，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质填埋。在MRAM单元1中金属布线层仅有两层5b、5d，即位线BL 3a所在层5d及地线GND 3c、过渡金属层3b所在层5b。磁性薄膜存储单元MFC2布置在位线BL 3a的下方且其上部电极与位线BL 3a直接相连接；磁性薄膜存储单元MFC2的下部电极通过过渡金属层3b、接触孔3f与晶体管ATR 4的漏极4c相连接。磁性薄膜存储单元MFC2中的自由层的易磁化轴与位线BL 3a的长边方向相互垂直。
为了使写入操作过程中位线BL 3a上的电流能够有适当大小的一部分电流分流至由磁性薄膜存储单元MFC2到地线GND 3c的通路上，需要在MRAM阵列中的每一条位线BL上设置一个或几个限流机构，如图9所示为设置一个限流机构的示意图。这样，当位线BL上的电流小于限流机构的限定电流，即I≤Is，几乎全部的电流都从位线BL通过而没有流经磁性薄膜存储单元MFC的分流。Is的具体大小由磁性薄膜存储单元MFC的磁化翻转特性参数来确定，并且使大小为Is的电流产生的磁场不能导致磁性薄膜存储单元MFC的磁化翻转。当I＞Is时，在限流机构的作用下使I1＝Is且I1+I2＝I，这时就存在两个互相垂直的电流I1和I2，前者与磁性薄膜存储单元MFC的表面平行，而后者与磁性薄膜存储单元MFC的表面垂直。由这电流I1和I2产生的磁性薄膜存储单元MFC自由层处的磁场如图10所示(I2的分布以点电流分布为例)。由电流I1产生的磁场在磁性薄膜存储单元MFC的易磁化轴方向上，而由电流I2产生的磁场则是磁性薄膜存储单元MFC自由层面内的环形磁场，由背景技术部分的论述可知，在这样的合成磁场作用下，可以实现磁性薄膜存储单元MFC的磁化翻转，即MRAM中信息的写入。这时I2＝I-I1＝I-IS，它的大小也由磁性薄膜存储单元MFC的磁化翻转特性参数来确定，并且使大小为I2和IS的电流产生的合成磁场能够导致磁性薄膜存储单元MFC的磁化翻转。对于MRAM阵列外部的驱动电流而言，本实施例的MRAM的写入电流只有一个，即I＝IS+I2。
由此，以图7、图8所示单元为例，在MRAM的寻址读出操作中，首先是被选择的字线WL 3d给一个适当的电平以使晶体管ATR 4处于导通状态，然后是被选择的位线BL 3a上导入一个读出电流，则读出电流由位线BL 3a经磁性薄膜存储单元MFC2、过渡金属层3b、接触孔3f、晶体管ATR漏极4c、晶体管ATR源极4a、接触孔3e而达地线GND 3c，从而获取磁性薄膜存储单元MFC2当前的电阻状态，即MRAM单元1中所存储的数据；在MRAM的寻址写入操作中，首先也是被选择的字线WL 3d给一个适当的电平以使晶体管ATR 4处于导通状态，然后在位线BL 3a上导入写入电流。在限流机构的作用下该写入电流被分成平行于被选择磁性薄膜存储单元MFC2的分流I1和垂直于被选择磁性薄膜存储单元MFC2、并且流经被选择磁性薄膜存储单元MFC2到GND 3c的分流I2，它们产生的合成磁场将导致磁性薄膜存储单元MFC的磁化翻转，也即完成了数据的写入。
位线BL上的限流机构可以设置并集成在MRAM阵列的外围电路中，它可由二极管、三极管等构成。
实施例2：
如图11、图12所示，在一个MRAM单元1中，包括一个磁性薄膜存储单元MFC2、晶体管ATR4、过渡金属层3b、接触孔3e与3f和一组布线，即位线BL1 3a、位线BL2 3g、字线WL 3d以及地线GND 3c。磁性薄膜存储单元MFC2与晶体管ATR 4通过过渡金属层3b相互连接。在布局上，将位线BL1 3a、BL2 3g布置在磁性薄膜存储单元MFC2的上方并且位线BL23g与存储单元2直接相连，同时与单元2的易磁化轴相互垂直；位线BL1 3a与BL2 3g由绝缘层5e隔离，并且两者彼此平行。
如图12所示，整个MRAM单元1由若干层5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、构成，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质填埋。在MRAM单元1中金属布线层有三层5b、5d和5f，即位线BL1 3a所在层5f、位线BL2 3g所在层5d及地线GND 3c、过渡金属层3b所在层5b。磁性薄膜存储单元MFC2布置在位线BL1 3a、BL2 3g的下方且其上部电极与位线BL2 3g直接相连接；磁性薄膜存储单元MFC2的下部电极通过过渡金属层3b、接触孔3f与晶体管ATR 4的漏极4c相连接。磁性薄膜存储单元MFC2中的自由层的易磁化方向与位线BL1 3a、BL2 3g的长边方向相互垂直，位线BL1 3a与BL2 3g相互平行。
在本实施例的寻址读出操作中，首先是被选择的字线WL 3d给一个适当的电平以使晶体管ATR 4处于导通状态，然后是被选择的位线BL23g上导入一个读出电流，则读出电流由位线BL2 3g经磁性薄膜存储单元MFC2、过渡金属层3b、接触孔3f、晶体管ATR漏极4c、晶体管ATR源极4a、接触孔3e而达地线GND 3c，从而获取磁性薄膜存储单元MFC2当前的电阻状态，即MRAM单元1中所存储的数据；在寻址写入操作中，首先也是被选择的字线WL 3d给一个适当的电平以使晶体管ATR 4处于导通状态，然后在位线BL1 3a、BL2 3g上以一定的时序关系导入各自的写入电流。位线BL1 3a上的电流平行于被选择磁性薄膜存储单元MFC2，位线BL2 3g上的电流将流经被选择磁性薄膜存储单元MFC2而到达GND 3c，它们产生的合成磁场将导致磁性薄膜存储单元MFC2的磁化翻转，也即完成了数据的写入。
实施例2之变形例：
如图13、图14所示，本变形例将实施例2中的位线BL2 3g的方向从与位线BL1 3a平行改为与字线WL 3d平行。本例中以字线WL2来命名，同时将原来的字线改为WL1以示区别。其它部分的结构都与实施例2中所述基本一致，这里不再赘述。
在本变形例的寻址读出操作中，首先是被选择的字线WL1 3d给一个适当的电平以使晶体管ATR 4处于导通状态，然后是被选择的字线WL2 3g上导入一个读出电流，则读出电流由字线WL2 3g经磁性薄膜存储单元MFC2、过渡金属层3b、接触孔3f、晶体管ATR漏极4c、晶体管ATR源极4a、接触孔3e而达地线GND 3c，从而获取磁性薄膜存储单元MFC2当前的电阻状态，即MRAM单元1中所存储的数据；在寻址写入操作中，首先也是被选择的字线WL1 3d给一个适当的电平以使晶体管ATR4处于导通状态，然后在位线BL 3a、字线WL2 3g上以一定的时序关系导入各自的写入电流。位线BL 3a上的电流平行于被选择磁性薄膜存储单元MFC2，字线WL2 3g上的电流将流经被选择磁性薄膜存储单元MFC2而到达GND 3c，它们产生的合成磁场将导致磁性薄膜存储单元MFC2的磁化翻转，也即完成了数据的写入。
Claims (23)
1、一种基于垂直电流写入的磁随机存取存储器的控制方法，其特征在于，磁随机存取存储器磁性薄膜存储单元MFC中的信息写入操作由一个平行于磁性薄膜存储单元MFC的电流以及另一个垂直于磁性薄膜存储单元MFC、并流经该单元的电流所产生的磁场的共同作用来完成。
2、一种基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，包括：
a)晶体管ATR(4)单元构成的存储器控制单元阵列，该控制单元阵列集成在半导体衬底中；
b)磁性薄膜存储单元MFC(2)构成的存储单元阵列；
c)接触孔3e、接触孔3f与过渡金属层，所述磁性薄膜存储单元MFC(2)经由接触孔3f和过渡金属层，与所述晶体管ATR(4)单元相连接；地线GND(3c)经由接触孔3e，与所述晶体管ATR(4)单元相连接；
d)字线WL(3d)和位线BL(3a)；
其特征在于：所述位线BL(3a)布置在所述磁性薄膜存储单元MFC(2)的上方、与磁性薄膜存储单元MFC(2)直接相连接并且与磁性薄膜存储单元MFC(2)的易磁化方向垂直；所述位线BL(3a)上设置有限流机构，一个或多个限流机构与每一条位线BL(3a)连接设置在MRAM阵列的外围电路中；所述地线GND(3c)所在层与所述过渡金属层处于同一个布线层。
3、按照权利要求2所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，所述限流机构可由二极管、三极管构成。
4、按照权利要求3所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，所述磁性薄膜存储单元MFC(2)的基本结构由两层磁性材料层以及介于两磁层之间的非磁性材料层构成，存储信息由其中一个磁性材料层的磁化状态来表示并保存。
5、按照权利要求4所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，所述位线BL(3a)和所述字线WL(3d)相互垂直，所述磁性薄膜存储单元MFC(2)的易磁化方向与所述位线BL(3a)相互垂直。
6、按照权利要求5所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，所述字线WL(3d)同时作为所述晶体管ATR(4)单元的栅极。
7、按照权利要求6中所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，在读出信息的过程中，所述晶体管ATR(4)导通，读出电流由所述BL(3a)引入来获取所述磁性薄膜存储单元MFC(2)中存储的信息。
8、按照权利要求2至7任一所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，内部金属布线层总共为两层，即所述位线BL(3a)所在层(5d)和所述过渡金属层(3b)与地线GND(3c)所在层(5b)。
9、一种基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，包括：
a)晶体管ATR(4)单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元集成在半导体衬底中；
b)磁性薄膜存储单元MFC(2)构成的存储单元阵列；
c)接触孔(3e、3f)；
d)字线WL(3d)和两条位线BL1(3a)、BL2(3g)；
其特征在于：还包括过渡金属层(3b)，所述磁性薄膜存储单元MFC(2)经由该过渡金属层(3b)和所述接触孔(3f)，与所述晶体管ATR(4)单元相连接；所述BL1(3a)和BL2(3g)由绝缘介质隔离、在方向上相互平行，同时所述位线BL2(3g)与所述磁性薄膜存储单元MFC(2)直接相连接；地线GND(3c)所在层与所述过渡金属层(3b)处于同一个布线层。
10、按照权利要求9所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，所述磁性薄膜存储单元MFC(2)的基本结构由两层磁性材料层以及介于两磁层之间的非磁性材料层构成，存储信息由其中一个磁性材料层的磁化状态来表示并保存。
11、按照权利要求10所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，所述位线BL1(3a)和BL2(3g)的方向与所述磁性薄膜存储单元MFC(2)的易磁化方向垂直，且与所述字线WL(3d)的方向相互垂直。
12、按照权利要求11所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，所述字线WL(3d)同时作为所述晶体管ATR(4)单元的栅极。
13、按照权利要求12所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，在读出信息的过程中，所述晶体管ATR(4)导通，读出电流由所述位线BL2(3g)引入来获取所述磁性薄膜存储单元MFC(2)中存储的信息。
14、按照权利要求13所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，其写入操作过程由所述位线BL1(3a)上平行于所述磁性薄膜存储单元MFC(2)的电流与所述位线BL2(3g)引入的、垂直于磁性薄膜存储单元MFC(2)、并流经所述磁性薄膜存储单元MFC(2)的电流的共同作用来完成。
15、按照权利要求9至14任一所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，内部金属布线层总共为三层，即所述位线BL1(3a)所在层、所述位线BL2(3g)所在层以及所述地线GND(3c)与过渡金属层(3b)所在层。
16、一种基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，包括：
a)晶体管ATR(4)单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；
b)磁性薄膜存储单元MFC(2)构成的存储单元阵列；
c)接触孔(3e、3f)；
d)两条字线WL1(3d)、WL2(3g)和位线BL(3a)；
其特征在于：还包括过渡金属层(3b)，所述磁性薄膜存储单元MFC(2)经由过渡金属层(3b)和所述接触孔(3f)，与所述晶体管ATR(4)单元相连接；所述字线WL2(3g)与所述磁性薄膜存储单元MFC(2)直接相连接，所述位线BL(3a)布置在所述字线WL2(3g)的上方并且相互垂直；地线GND(3c)所在层与所述过渡金属层处于同一个布线层。
17、按照权利要求16所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，所述磁性薄膜存储单元MFC(2)的基本结构由两层磁性材料层以及介于两磁层之间的非磁性材料层构成，存储信息由其中一个磁性材料层的磁化状态来表示并保存。
18、按照权利要求17所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，所述位线BL(3a)和所述磁性薄膜存储单元MFC(2)的易磁化方向垂直，且与所述位线WL1(3d)、WL2(3g)相互垂直。
19、按照权利要求18所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，所述位线BL(3a)和字线WL2(3g)之间绝缘隔离。
20、按照权利要求18所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于所述字线WL1(3d)同时作为所述晶体管ATR(4)单元的栅极。
21、按照权利要求20所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，在读出信息的过程中，所述晶体管ATR(4)导通，读出电流由所述字线WL2(3g)引入来获取所述磁性薄膜存储单元MFC(2)中存储的信息。
22、按照权利要求21所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，其写入操作过程由所述位线BL(3a)上平行于所述磁性薄膜存储单元MFC(2)的电流与从所述字线WL2(3g)引入的、垂直于磁性薄膜存储单元MFC(2)、并流经所述磁性薄膜存储单元MFC(2)的电流的共同作用来完成。
23、按照权利要求16至22任一所述的基于垂直电流写入的磁随机存取存储器，其特征在于，内部金属布线层总共为三层，即所述位线BL(3a)所在层、所述字线WL2(3g)所在层，以及所述地线GND(3c)与所述过渡金属层(3b)所在层。
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| US7825445B2 (en) * | 2007-11-29 | 2010-11-02 | Seagate Technology Llc | Magnetoresistive memory elements with separate read and write current paths |
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| US8248840B2 (en) * | 2010-03-26 | 2012-08-21 | Qualcomm Incorporated | Magnetoresistive random access memory (MRAM) with integrated magnetic film enhanced circuit elements |
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| TWI559450B (zh) * | 2014-04-18 | 2016-11-21 | 力晶科技股份有限公司 | 記憶體結構及其操作方法 |
| US9947383B1 (en) * | 2017-02-23 | 2018-04-17 | International Business Machines Corporation | Spin hall write select for magneto-resistive random access memory |
| CN110890458B (zh) * | 2018-09-07 | 2024-04-12 | 上海磁宇信息科技有限公司 | 一种提高磁性随机存储器写入效率的方法 |
| CN111293216A (zh) * | 2018-12-07 | 2020-06-16 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 磁性隧穿结器件及其制作方法 |
| CN113078256A (zh) * | 2020-01-06 | 2021-07-06 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 磁随机存取存储单元及磁随机存取存储器的形成方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1349226A (zh) * | 2000-10-17 | 2002-05-15 | 三菱电机株式会社 | 容易控制数据写入电流的薄膜磁性体存储器 |
| CN1385905A (zh) * | 2001-03-28 | 2002-12-18 | 海力士半导体有限公司 | 具有垂直结构晶体管的磁性随机存取存储器及其制造方法 |
| US6639829B2 (en) * | 2000-08-03 | 2003-10-28 | Infineon Technologies Ag | Configuration and method for the low-loss writing of an MRAM |
| WO2004012199A1 (ja) * | 2002-07-29 | 2004-02-05 | Nec Corporation | 磁気ランダムアクセスメモリ |
Family Cites Families (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US52127A (en) * | 1866-01-23 | Improvement in sugar-mills | ||
| US6424561B1 (en) * | 2000-07-18 | 2002-07-23 | Micron Technology, Inc. | MRAM architecture using offset bits for increased write selectivity |
| US6632517B1 (en) * | 2000-08-21 | 2003-10-14 | University Of New Orleans Research And Technology Foundation, Inc. | Low field magnetoresistance of intergranular tunneling in field-aligned chromium dioxide powders |
| DE10107380C1 (de) * | 2001-02-16 | 2002-07-25 | Infineon Technologies Ag | Verfahren zum Beschreiben magnetoresistiver Speicherzellen und mit diesem Verfahren beschreibbarer magnetoresistiver Speicher |
| JP3955195B2 (ja) * | 2001-08-24 | 2007-08-08 | 株式会社日立グローバルストレージテクノロジーズ | 磁界センサー及び磁気ヘッド |
| US6430085B1 (en) * | 2001-08-27 | 2002-08-06 | Motorola, Inc. | Magnetic random access memory having digit lines and bit lines with shape and induced anisotropy ferromagnetic cladding layer and method of manufacture |
| KR20030060327A (ko) | 2002-01-08 | 2003-07-16 | 삼성전자주식회사 | 고집적 자성체 메모리 소자 및 그 구동 방법 |
| US7064974B2 (en) * | 2002-09-12 | 2006-06-20 | Nec Corporation | Magnetic random access memory and method for manufacturing the same |
| US7068537B2 (en) * | 2002-11-06 | 2006-06-27 | Interuniversitair Microelektronica Centrum (Imec) | Magnetic device and method of making the same |
| JP4365576B2 (ja) * | 2002-11-22 | 2009-11-18 | Ｔｄｋ株式会社 | 磁気メモリデバイスおよび書込電流駆動回路、並びに書込電流駆動方法 |
| CN101114694A (zh) * | 2002-11-26 | 2008-01-30 | 株式会社东芝 | 磁单元和磁存储器 |
| US6791868B2 (en) * | 2003-01-02 | 2004-09-14 | International Business Machines Corporation | Ferromagnetic resonance switching for magnetic random access memory |
| US7190611B2 (en) * | 2003-01-07 | 2007-03-13 | Grandis, Inc. | Spin-transfer multilayer stack containing magnetic layers with resettable magnetization |
| US6977801B2 (en) * | 2003-02-24 | 2005-12-20 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Magnetoresistive device with exchange-coupled structure having half-metallic ferromagnetic Heusler alloy in the pinned layer |
| US6865109B2 (en) * | 2003-06-06 | 2005-03-08 | Seagate Technology Llc | Magnetic random access memory having flux closure for the free layer and spin transfer write mechanism |
| US6961263B2 (en) * | 2003-09-08 | 2005-11-01 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Memory device with a thermally assisted write |
| US7282755B2 (en) * | 2003-11-14 | 2007-10-16 | Grandis, Inc. | Stress assisted current driven switching for magnetic memory applications |
-
2004
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6639829B2 (en) * | 2000-08-03 | 2003-10-28 | Infineon Technologies Ag | Configuration and method for the low-loss writing of an MRAM |
| CN1349226A (zh) * | 2000-10-17 | 2002-05-15 | 三菱电机株式会社 | 容易控制数据写入电流的薄膜磁性体存储器 |
| CN1385905A (zh) * | 2001-03-28 | 2002-12-18 | 海力士半导体有限公司 | 具有垂直结构晶体管的磁性随机存取存储器及其制造方法 |
| WO2004012199A1 (ja) * | 2002-07-29 | 2004-02-05 | Nec Corporation | 磁気ランダムアクセスメモリ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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