CN101271727B - 磁性存储单元的写入方法与磁性存储阵列结构 - Google Patents

Abstract

一种磁性存储单元的写入方法，其中磁性存储单元包括磁性自由迭层有双方向易轴。以磁场X轴与磁场Y轴作为参考方向，其双方向易轴基本上在磁场X轴上。此方法包括施加第一磁场在该磁场Y轴的第一方向上；施加第二磁场在该磁场X轴的第一方向上，与该第一磁场迭加；停止施加该第一磁场；施加第三磁场在该磁场Y轴且与该第一方向相反的第二方向上；停止施加该第二磁场；以及停止施加该第三磁场。

Description

磁性存储单元的写入方法与磁性存储阵列结构

技术领域

本发明涉及一种磁性存储单元的技术，且特别涉及一种磁性存储单元的写入方法与磁性存储阵列结构。

背景技术

磁性存储器，例如磁性随机存取存储器(Magnetic Random AccessMemory，MRAM)也是一种非易失性存储器，有非易失性、高密集度、高读写速度、抗辐射线等优点。其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阻的大小来记录0或1的数据。写入数据时，一般所使用的方法为两条电流线，例如位线(Bit Line，BL)及写入字线(Write Word Line，WWL)感应磁场所交集选择到的磁性存储器的存储单元。同时藉由改变自由层磁化向量(Magnetization)方向，来更改其磁电阻值。而在读取储存数据时，让选择到的磁性存储单元流入电流，从读取的电阻值可以判定储存数据的数字值。

图1绘示磁性存储单元的基本结构。参阅图1，要存取磁性存储单元，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，例如又可以称为写入字线与位线，其仅是物件的描述用词，以达到二维阵列存储单元的分别控制。

当两个导线通入电流后会产生两个方向的磁场，以得到所要的磁场大小与方向，以施加在磁性存储单元104上。磁性存储单元104是迭层结构，包括磁性固定层(magnetic pinned layer)在预定方向具有固定的磁化向量(magnetization)，或是总磁矩(total magnetic moment)。利用磁阻的大小，来读取数据。又，藉由输出电极106、108，可以读出此存储单元所存的数据。关于磁性存储器的操作细节，是本领域普通技术人员可以了解，不继续描述。

图2绘示磁性存储器的存储机制。于图2，磁性固定层104a有固定的磁矩方向107。磁性自由层104c，位于磁性固定层104a上方，其中间由绝缘层104b所隔离。磁性自由层104c有磁矩方向108a或是108b。由于磁矩方向107与磁矩方向108a平行，其产生的磁阻例如代表“0”的数据，反之磁矩方向107与磁矩方向108b反平行，其产生的磁阻例如代表“1”的数据。

一般，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，为了降低邻近细胞元在写入数据时的干扰情形，传统技术的改进方式是将自由层以铁磁(FM)/非磁性金属(M)/铁磁(FM)三层结构取代单层铁磁材料，而构成磁性自由迭层166，其结构如图3所示。在非磁性金属层152上下的两层是铁磁性金属层150、154，以反平行排列，形成封闭的磁力线。在下面的磁性固定迭层168，藉由穿隧绝缘层(tunnel barrier layer，T)156，与磁性自由迭层166隔开。磁性固定迭层168包括上固定层(top pinned layer，TP)158、非磁性金属层160、以及下固定层(bottom pinned layer，BP)162。在上固定层与下固定层有固定的磁化向量。另外还有基层164在底部，例如是反铁磁层。

针对三层结构的磁性自由迭层166，把位线BL与写入字线WWL相对自由迭层166的磁场易向轴(magnetic anisotropic axis)，使有45度的夹角，其磁场易向轴方向就是所谓的易轴(easy axis)方向。如此，位线BL与写入字线WWL可分别对自由迭层166，依照先后关系，施加与易轴夹角为45度的磁场，以旋转自由迭层166的磁化向量。存储单元所储存的数据是由铁磁性金属层154与上固定层158的两个磁化向量的方向来决定。

另外，除了将自由层改变为三层结构外，传统技术还提出以拴扣模式(toggle mode)的操作模式来旋转自由层的磁化向量。图4绘示外加磁场对三层结构的效应。参阅图4，粗箭头代表外加磁场，其长度代表大小。两个细箭头代表在自由迭层的上下铁磁层的两个磁化向量方向。当外加磁场太小时，两个磁化向量的方向不改变。当外加磁场大到一个程度时，两个磁化向量会有一个张角。当外加磁场过大时，则两个磁化向量会沿着外加磁场的方向。拴扣模式的操作是属于上述的第二种情形。

图5绘示拴扣模式的外加磁场时序图。参阅图5，H₁与H₂代表与易轴方向隔45度的两个外加磁场方向，而椭圆内的两个箭头代表两个磁化向量的方向。在t₀阶段，没有外加磁场，因此两个磁化向量都在易轴方向上。接着，H₁与H₂的磁场随着图示的时序启动，得到不同时间阶段(t₁～t₃)的总磁场，而转动两个磁化向量的方向。在时间阶段t₄时，停止施加磁场，而两个磁化向量的方向被翻转一次。这就是说，存储单元所储存的数据被写入而改变。

另外，在拴扣模式的操作条件下，其写入电流仍偏高，因此传统技术也提出加入磁场偏压的设计。图6绘示减小操作电流的传统技术示意图。参阅图6，存储单元的基本结构仍与图3类似，如左图所示，其主要不同的是将下固定层162的总磁矩180，相对于上固定层158的总磁矩182增加，例如增加厚度。由于下固定层162与上固定层158的总磁矩不平衡，会产生外漏磁场(fringe magnetic field)，会对自由迭层166产生磁场偏压(bias filed)184，可以将第一象限的拴扣操作区域往磁场零点移动，其结果缩小成距离186。因此，由于要求的写入磁场小，其要产生磁场的写入操作电流就可以减少。

就上述传统的操作方式，对要将数据写入对应的磁性存储单元的机制已有一些改进，但是由于传统写入的方法是针对一个磁性存储单元进行，且其磁性存储单元的易轴方向是预先偏转45度。如此，写入的两条电流线导入电流时，其所产生的磁场方向与易轴方向之间是45度。如果磁性存储单元的易轴方向在制作时有一些偏差，再加上施加过大的磁场偏压，会导致一些不需要改变的磁性存储单元的数据被翻转改变。因此，如何提升写入操作的效率，又能至少有效避免不正常写入的方法与安排仍是业者研发的课题。

发明内容

本发明提供的磁性存储单元的阵列结构以及其写入方法，例如可以同时改变多个磁性存储单元的储存数据，而且能避免其他磁性存储单元受到干扰，造成储存数据被干扰而改变。

本发明提供的磁性存储单元的阵列结构以及其写入方法，可以对属于相同存储单元列的多个磁性存储单元，同时进行操作，其中要改变储存数据的磁性存储单元会施加一个写入操作磁场，而不要改变储存数据的磁性存储单元会施加另一个操作磁场，以避免被干扰而造成储存数据被改变。

本发明提供一种磁性存储单元的写入方法，其中磁性存储单元包括磁性自由迭层有双方向易轴。以磁场X轴与磁场Y轴作为参考方向，其双方向易轴基本上在磁场X轴上。此方法包括施加第一磁场在该磁场Y轴的第一方向上；施加第二磁场在该磁场X轴的第一方向上，与该第一磁场迭加；停止施加该第一磁场；施加第三磁场在该磁场Y轴且与该第一方向相反的第二方向上；停止施加该第二磁场；以及停止施加该第三磁场。

本发明又提供一种磁性存储单元的写入方法，其中多个磁性存储单元构成依照磁场X轴与磁场Y轴的方向构成二维的阵列结构。每一个磁性存储单元有双方向易轴基本上在磁场X轴上，此阵列结构包括至少一个存储单元列以及至少两个存储单元行。本方法包括施加第一磁场给该存储单元列的每一个该磁性存储单元，该第一磁场在该磁场Y轴的第一方向上。又，施加第二磁场给该存储单元行的每一个该磁性存储单元。该第二磁场在该磁场X轴的第一方向上，与该第一磁场迭加。对于要改变储存数据的对应该存储单元，停止施加该第一磁场；以及

施加第三磁场在该磁场Y轴且与该第一方向相反的第二方向上。对于不要改变储存数据的对应该存储单元，维持施加该第一磁场，或是停止区间后再度施加第四磁场在该磁场Y轴且与该第一方向相同。停止施加该第二磁场。停止施加仍有的该第三磁场以及该第一磁场或该第四磁场。

本发明又提供一种磁性存储阵列结构，包括多个磁性存储单元，依照磁场X轴与磁场Y轴的方向构成二维的存储阵列，其中每一该磁性存储单元包括磁性自由迭层有双方向易轴，基本上在磁场X轴上。阵列结构包括至少一个存储单元列以及至少两个存储单元行。至少一条第一电流线，连接属于该存储单元列的所有该磁性存储单元，以可以提供在该磁场X轴上的X磁场。至少两条第二电流线，分别连接属于该至少两个存储单元行的所有该磁性存储单元，以提供在该磁场X轴上的Y磁场。其至少两条第二电流线分别依照所定时序，输入对应的磁场波形，以驱动存储单元列上的多个存储单元，且依需要分别以改变或不改变每一存储单元的储存数据。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1绘示磁性存储单元的基本结构。

图2绘示磁性存储器的存储机制。

图3绘示传统磁性存储单元剖面结构示意图。

图4绘示外加磁场对三层结构自由层的效应。

图5绘示拴扣模式的外加磁场时序图。

图6绘示减小操作电流的传统技术示意图。

图7绘示传统的拴扣模式操作的阵列结构示意图。

图8绘示传统栓扣模式操作，可能会因干扰产生储存数据错误的示意图。

图9绘示依据本发明实施例，一种磁性存储阵列结构示意图。

图10绘示依照本发明实施例，写入的一个磁波形时序示意图。

图11绘示依照本发明实施例，不要写入的一个磁场波形时序示意图。

图12绘示依照本发明实施例，不要写入的另一个磁场波形时序示意图。

图13绘示依照本发明实施例，不要写入的另一个磁场波形时序示意图。

附图标记说明

100、102：电流线                  104：磁性存储单元

104a：磁性固定层                  104b：绝缘层

104c：磁性自由层                  106、108：电极

107、108a、108b：磁矩方向         150：铁磁性金属层

152：非磁性金属层                 154：铁磁性金属层

156：穿隧绝缘层                   158：上固定层

160：非磁性金属                   162：下固定层

164：基层                         166：磁性自由迭层

168：磁性固定迭层                 180：下总磁矩

182：上总磁矩                     184：磁场偏压

186：距离                         450：磁性自由迭层

700、704：存储单元                702：磁场偏压

900、902、904：存储单元           920、930：区间

具体实施方式

本发明提出磁性存储单元的写入方法，可以有效避免在写入操作时干扰到其他的存储单元。另外，本发明可以允许同时对多个存储单元操作，例如依据需要可允许同时写入多个二进制数据到对应的多个存储单元上。

本发明针对传统的拴扣模式操作做更进一步的探究发现，例如过度增加如图6的磁场偏压，则其他不要被操作的存储单元，会由于写入磁场的干扰而意外改变所储存的数据，造成数据错误。图7是传统的拴扣模式操作的阵列结构示意图。B₁、B₂、B₃...与W₁、W₂、W₃....代表两个方向的操作电流线。例如电流线W₁、W₂、W₃...会产生在X轴方上的磁场H_X，而电流线B₁、B₂、B₃…会产生在Y轴上的磁场H_Y。另外电流方向也决定正负的方向。

于存储单元阵列中，每一个存储单元700会有双方向易轴(即是长轴)，与磁场方向相隔45度。另外，每一个存储单元700也会有磁场偏压702如箭头所示，理想上是与双方向易轴平行。例如当由电流线W₂与电流线B₂所交叉的存储单元700要被写入数据时，所有的连接于电流线W₂与电流线B₂的存储单元也会干扰，例如对于存储单元704而言会受到电流线B₂所产生的磁场的影响。

图8绘示传统栓扣模式操作，可能会因干扰产生储存数据错误的示意图。参阅图8，例如存储单元704在制作上由于工艺条件的变化，使易轴方向产生偏移。对于磁性自由迭层450上的两个平行磁化向量受到磁场H_Y以及磁场偏压H_Bias的影响，会产生旋转且达到平衡张角。此时，虽然仅施加由电流线B₂所产生的磁场H_Y，例如由于易轴不是在理想的位置，导致旋转已超过难轴(Hard Axis)。当磁场H_Y消失时，磁性自由迭层的磁化向量已被翻转，造成数据被不预期地改变，因此也造成储存数据的错误。

上述的情形是产生数据错误的原因之一，本发明于探讨传统操作方式的可能缺点之后，也提出另一种操作方式。以下举一些实施例作为描述，但是本发明不仅限于所举实施例。

图9绘示依据本发明实施例，一种磁性存储阵列结构示意图。参阅图9，本发明实施例将磁性存储单元依照电流线W₁、W₂、W₃...、B₁、B₂、B₃...的分配，安排成二维的阵列，又也可以用存储单元列(cell column)与存储单元行(cell row)来安排。例如以磁场X轴对应电流线W₁、W₂、W₃...所产生的磁场H_X以及磁场Y轴对应电流线B₁、B₂、B₃...所产生的磁场H_Y作为两个参考方向。本发明的磁性存储单元的易轴的方向是基本上(substantially)平行于两个相互垂直的磁场轴的其一，例如基本上是在磁场X轴的方向。换句或说，磁场X轴的方向定义为与易轴基本上平行的方向。又，存储单元也可以更包括有磁场偏压，如箭头所示的设计。要注意得是，“基本上”在本发明的描述是代表或许有些微的差异，而不必绝对相等。

又例如以磁性存储单元900为例，其储存的数据要被写入或是改变。图10绘示依照本发明实施例，写入的磁波形时序示意图。同时参阅图10，磁性存储单元900的操作是由电流线W₂与电流线B₂所控制。换话说、电流线W₂会产生所要的磁场H_X分量，而电流线B₂会产生所要的磁场H_Y分量。由于所有磁性存储单元的易轴基本上平行于磁场X轴，基于栓扣的翻转机制，为达到翻转磁性存储单元900的储存数据，写入的磁波形要适当安排，以得到如图10中的三个状态。

藉由电流线B₂、W₂上的电流大小，可以控制磁场H_X分量与H_Y分量的大小，其大小可以相等或不相等，但是方向则必须适当控制以产生所要的总合磁场。一般磁场H_Y会先启动，例如在正磁场Y方向产生磁场H_Y。接着磁场H_X也启动，到第一阶段的所要总磁场，其方向例如在第一象限。接着在第二阶段，停止施加磁场H_Y，因此仅留有磁场H_X，其总磁场例如就是磁场H_X。接着，例如再对存储单元900施加负的磁场H_Y，因此得到指向第4象限的总磁场。这三个阶段磁场相对易轴方向也达成翻转的条件，因此可以将数据写入或是翻转储存的数据。最后，停止施加磁场H_X与磁场H_Y，回到无外加磁场的状态。虽然磁场H_X与磁场H_Y的停止不必有一定的前后关系，但是为了能更确保数据的安全，以先关闭磁场H_X为较佳，接着关闭磁场H_Y。

要注意的是，上述的存储单元结构除了有磁性自由迭层外也可以有磁场偏压的设计。另外，图10的H_X与H_Y的磁场波形也可以取负的方向来取代，也有相同效果。换句话说，H_X是负的方向，而H_Y的第一阶段是负的方向，第三阶段是正的方向。

根据二维阵列的关系，对于连接在电流线W₂上的存储单元列的其他存储单元，如果也需要写入或翻转数据，则也可以同时输入上述对应磁场H_Y的磁场波形。换句话说，本发明允许同时对多个存储单元进行写入或是翻转的操作。

由于电流线B₂、W₂也会干扰其他不要被写入或翻动的存储单元，例如存储单元902与存储单元904。其中存储单元902感受到由电流线W₂所产生的磁场H_X，较容易被干扰而产生数据错误，而存储单元904感受到由电流线B₂所产生的磁场H_Y，较不容易被干扰，数据可以被保持。

为了避免干扰而产生数据错误，在相同的存储单元列的存储单元中，不要被写入或翻转的存储单元，例如存储单元902，其对应的电流线B₃也同时被启动，但是以不同的磁场波形输入。图11绘示依照本发明实施例，不要写入的磁场波形时序示意图。参阅图11，相对于图10的磁场波形时序，其差异是在第三阶段的磁场H_Y，其磁场方向与第一阶段的磁场H_Y的方向相同，至于磁场的强度可以相等或不相等，其依实际需要而定。如此、存储单元902的储存数据更能确保不会被改变。换句话说，对于不写入的存储单元902，在区间920的磁场是处于零状态。

然而，上述对于不写入的存储单元的磁场操作波形也不是唯一选择。例如、在区间930的磁场可以维持在相同的磁场。此机制可以参阅图13，其也就是说基于简单操作，例如原磁场H_Y可维持施加直到磁场H_X停止后才停止。由于对于不写入的存储单元902也有施加磁场，因此可以更保证被控制的状态，不会受到其他磁场的干扰造成数据错误。

图12绘示依照本发明实施例，不要写入的另一磁场波形时序示意图。参阅图12(上部图)，例如对于存储单元904而言，其仅会感受到图10的磁场H_Y，但是不会感受到图10的磁场H_X，因此磁场H_X为零。如此，所感受到的磁场是在磁场Y轴方向，基本上不会导致存储单元904的数据错误。类似的，如果存储单元904也可能仅会感受到图11的磁场H_Y，但是不会感受到图11的磁场H_X。其结果也不会导致存储单元904的数据错误。因此，本发明确实能有效降低数据错误现象的发生。

又，依照本发明的存储阵列结构，对于相同存储单元列，例如其所有的存储单元可以同时被启动，分别输入要写入翻转的磁场波形或是不要写入翻转的磁场波形。本发明因此也可以达到多个二进制存储单元的整组操作，而不必是以每一个存储单元单元进行操作。电流线B₁、B₂、B₃...可以由驱动器同时启动，以组的方式进行，例如对于一个存储单元列可以有8个位或16个位在不同存储单元行，作为一组，以同时操作。这也符合未来大量数据存取(access)的发展与要求。

本发明虽然也采用栓扣模式的翻转机制来写入数据，但是由于阵列的安排与配合自由迭层的易轴方向的安排，可以有效写入数据，又同时可以更确保其他存储单元的数据不会被改变，降低造成数据错误的机率。

本发明更提出以多个存储单元为一组，进行数据组的存取，可以提升数据操作效率。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员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由权利要求所界定的为准。

Claims (12)

1.一种磁性存储单元的写入方法，其中磁性存储单元包括磁性自由叠层且有双方向易轴，对于以磁场X轴与磁场Y轴作为参考方向，该双方向易轴基本上在磁场X轴上，该方法包括：

施加第一磁场在该磁场Y轴的第一方向上；

施加第二磁场在该磁场X轴的第一方向上，与该第一磁场叠加，而施加该第一磁场与施加该第二磁场的时间顺序是该第一磁场先于该第二磁场；

停止施加该第一磁场，而保留该第二磁场；

施加第三磁场在该磁场Y轴且与该第一方向相反的第二方向上；

停止施加该第二磁场；以及

停止施加该第三磁场，而停止施加该第二磁场与停止施加该第三磁场的时间顺序是该第二磁场先于该第三磁场。

2.如权利要求1所述的磁性存储单元的写入方法，其中该磁场Y轴的该第一方向是该磁场Y轴的正方向或是负方向。

3.如权利要求2所述的磁性存储单元的写入方法，其中该磁场X轴的该第一方向是该磁场X轴的正方向或是负方向。

4.一种磁性存储单元的写入方法，其中多个磁性存储单元构成依照磁场X轴与磁场Y轴的方向构成二维的阵列结构，每一该磁性存储单元有双方向易轴，该双方向易轴基本上在磁场X轴上，该阵列结构包括至少一个存储单元列以及至少两个存储单元行，该方法包括：

施加第一磁场给该存储单元列的每一个该磁性存储单元，该第一磁场在该磁场Y轴的第一方向上；

施加第二磁场给该存储单元列的每一个该磁性存储单元，该第二磁场在该磁场X轴的第一方向上，与该第一磁场叠加，而施加该第一磁场与施加该第二磁场的时间顺序是该第一磁场先于该第二磁场；

对于要改变储存数据的对应该存储单元，进行：

停止施加该第一磁场，而保留该第二磁场；以及

施加第三磁场在该磁场Y轴且在与该第一方向相反的第二方向上；

对于不要改变储存数据的对应该存储单元，进行：

维持施加该第一磁场，或是停止区间后再度施加第四磁场在该磁场

Y轴且与该第一方向相同；

停止施加该第二磁场；以及

停止施加仍有的该第三磁场、该第一磁场或该第四磁场，而停止施加该第二磁场与停止施加该第三磁场、该第一磁场或该第四磁场的时间顺序是该第二磁场较先。

5.如权利要求4所述的磁性存储单元的写入方法，其中该磁场Y轴的该第一方向是该磁场Y轴的正方向或是负方向。

6.如权利要求4所述的磁性存储单元的写入方法，其中该磁场X轴的该第一方向是该磁场X轴的正方向或是负方向。

7.一种磁性存储阵列结构，包括：

多个磁性存储单元，依照磁场X轴与磁场Y轴的方向构成二维的存储阵列，其中每一该磁性存储单元包括磁性自由叠层且有双方向易轴，该双方向易轴基本上在磁场X轴上，该阵列结构包括至少一个存储单元列以及至少两个存储单元行；

至少一条第一电流线，连接属于该存储单元列的所有该磁性存储单元，以可以提供在该磁场X轴上的X磁场；以及

至少两条第二电流线，分别连接属于该至少两个存储单元行的所有该磁性存储单元，以提供在该磁场Y轴上的Y磁场，

其中该至少两条第二电流线分别依照所定时序，输入对应的磁场波形，驱动该存储单元列上的该存储单元，依需要分别以改变或不改变每一该存储单元的储存数据，

其中改变该存储单元的该储存数据的该磁场波形包括：

施加第一磁场在该磁场Y轴的第一方向上；

施加第二磁场在该磁场X轴的第一方向上，与该第一磁场叠加，而施加该第一磁场与施加该第二磁场的时间顺序是该第一磁场先于该第二磁场；

停止施加该第一磁场，而保留该第二磁场；

施加第三磁场在该磁场Y轴且与该第一方向相反的第二方向上；

停止施加该第二磁场；以及

停止施加该第三磁场，而停止施加该第二磁场与停止施加该第三磁场的时间顺序是该第二磁场先于该第三磁场。

8.如权利要求7所述的磁性存储阵列结构，其中不改变该存储单元的该储存数据的该磁场波形包括：

于施加该第三磁场的同时，对于不要改变的该存储单元，分别施加第四磁场在该磁场Y轴且与该第一方向相同。

9.如权利要求8所述的磁性存储阵列结构，其中停止施加该第二磁场与停止施加该第三磁场或该第四磁场的时间顺序是该第二磁场较先。

10.如权利要求7所述的磁性存储阵列结构，其中不改变该存储单元的该储存数据的该磁场波形包括：

在施加该第二磁场的该步骤后，维持施加该第一磁场，直到停止施加该第二磁场的该步骤后，才停止施加该第一磁场。

11.如权利要求7所述的磁性存储阵列结构，其中该磁场Y轴的该第一方向是该磁场Y轴的正方向或是负方向。

12.如权利要求7所述的磁性存储单元的写入方法，其中该磁场X轴的该第一方向是该磁场X轴的正方向或是负方向。

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