CN101546598B - 磁阻随机存取存储器装置与其切换方法与存储器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供磁阻随机存取存储器装置与其切换方法与存储器阵列，即具有非正交切换写入线的一种双态模式磁阻随机存取存储器装置(双态MRAM装置)、切换此存储器装置的磁态的方法、以及此技术的存储器矩阵的布局方式。本发明以两条非正交的写入线切换双态MRAM装置的磁态，更以偏磁场降低切换所需的电流大小。由于偏磁场会改变作用磁场的角度，本发明将两条写入线以非正交方式布局，以补偿偏磁场对作用磁场的角度的影响。

Description

磁阻随机存取存储器装置与其切换方法与存储器阵列

技术领域

本发明涉及一种磁阻随机存取存储器装置(magnetoresistive randomaccess memory device，MRAM device)，特别涉及一种具有非正交切换写入线(small-angle toggle write lines)的双态模式磁阻随机存取存储器装置(toggle-mode magnetoresitive random access memory device)。 

背景技术

相较于传统存储器装置使用电子电荷储存数据，磁阻随机存取存储器(MRAM)装置以磁性储存数据。以磁性储存数据的优点包括非易失性、高操作速度、以及高耐久度。纵然MRAM装置与传统存储器装置相较具有上述优点，其商业量产与否必须考虑其技术发展是否能改善能量消耗、错误率、与存储器稳态的稳定性。 

为了通过磁性读写数据，MRAM装置包括可在两种稳态方向切换的磁矩向量(magnetic moment vector)。上述两种稳态方向分别对应MRAM装置的两种存储器状态。上述两种存储器状态具有不同的电子阻抗。写入操作负责提供磁场切换上述磁矩向量至预期的方向。读取操作将令电流流经MRAM装置以感测其电子阻抗并且判断其存储器状态。 

目前已有多项技术公开改良的MRAM装置。Savtchenko等人所公开的美国专利申请US Patent 6,545,906提及一种双态模式(toggle-mode)技术，用以改善MRAM装置的写入操作。此专利申请通过旋转作用磁场将数据写入MRAM装置，以改善存储器状态的稳定性与写入操作的可选择性。此外，美国专利申请US Patent 6,633,498与US Patent 6,515,341更公开可改善能量消耗的双态模式MRAM装置；其中使用偏磁场(bias field)作用于MRAM装置的磁性物质上，以降低切换磁矩向量的方向所需的能量。 

上述技术纵然可改善存储器状态的稳定度以及控制能量损耗，但外加于MRAM装置上的偏磁场将衍生出新的问题。偏磁场纵然降低存储器状态切换 所需的能量，却会影响写入操作期间作用磁场的旋转量，导致错误率大幅上升。因此，本技术领域需要一种可降低存储器能量消耗并且具有低错误率的双态模式MRAM装置。 

发明内容

本发明公开具有非正交切换写入线(small-angle toggle write lines)的一种双态模式磁阻随机存取存储器(toggle-mode MRAM)装置以及切换其存储器状态的方法。此外，本说明书亦公开此种双态模式MRAM装置所组成的存储器阵列的数种布局(layout)方式。本发明的双态模式MRAM装置具有非正交的两条写入线，用以切换其存储器状态；其中更使用偏磁场降低切换存储器的磁态所需的能量。若将偏磁场应用于传统双态模式MRAM装置中，写入线所提供的作用磁场的方向将受其影响。本发明通过非正交布局此二写入线补偿偏磁场对作用磁场所产生的影响。 

本发明的双态模式MRAM装置的一种实施方式包括第一写入线、第二写入线、以及磁阻存储单元。该第一写入线位于第一平面，其方向为第一方向。该第二写入线位于第二平面，其方向为第二方向。上述第一与第二平面彼此平行。该第一方向与该第二方向为非正交。该磁阻存储单元具有可切换磁态，并且设置于该第一与该第二写入线之间的交错区域。上述第一与第二写入线于该交错区域的投影彼此相交。在此实施方式中，该第一写入线负责传递第一写入电流以提供该磁阻存储单元第一磁场(H-Field)；该第二写入线负责传递第二写入电流以提供该磁阻存储单元第二磁场。上述第一与第二磁场乃根据既定操作方式作用于该磁阻存储单元，以切换该磁阻存储单元的磁态，以及上述第一与第二写入线相对于该磁阻存储单元的磁异向性易磁化轴各具有小于45度的夹角。 

根据本发明的磁阻随机存取存储器装置，其中该磁阻存储单元为双态模式存储元件，该双态模式存储元件包括：自由合成反铁磁层；钉扎合成反铁磁层；以及隧道障壁，设置于该自由合成反铁磁层与该钉扎合成反铁磁层之间；其中上述自由合成反铁磁层与钉扎合成反铁磁层各自包括方向相反的磁矩向量；于上述第一与第二磁场尚未作用的状况下，上述磁矩向量的方向沿着上述磁异向性易磁化轴的方向延伸以定义该磁阻存储单元于第一磁态；以 及其中上述第一与第二磁场以上述既定操作方式作用时，该自由合成反铁磁层的上述磁矩向量相对该磁阻存储单元旋转至与该第一磁态相反的方向，使得该磁阻存储单元切换至第二磁态；其中该钉扎合成反铁磁层包括杂散磁场；该杂散磁场沿着上述磁异向性易磁化轴的方向延伸，并且产生偏磁场作用于该自由合成反铁磁层的上述磁矩向量上，以降低于切换该磁阻存储单元的磁态时，依上述既定操作方式作用于该磁阻存储单元所需的上述第一与第二磁场的大小。 

根据本发明的磁阻随机存取存储器装置，其中，该第一与第二磁场的方向非正交，该第一磁场结合该偏磁场以提供第一作用磁场于该自由合成反铁磁层，该第二磁场结合该偏磁场以提供第二作用磁场于该自由合成反铁磁层，上述第一与第二作用磁场的方向互相正交。 

根据本发明的磁阻随机存取存储器装置，其中上述磁异向性易磁化轴通过上述第一与第二方向之间的锐角夹角。 

根据本发明的磁阻随机存取存储器装置，其中上述锐角夹角由上述磁异向性易磁化轴平分。 

根据本发明的磁阻随机存取存储器装置，其中上述既定操作方式包括首先仅施予该第一写入电流，接着同时施予上述第一与第二写入电流，接着仅施予该第二写入电流，接着停止施予该第二写入电流。 

根据本发明的磁阻随机存取存储器装置，其中还包括包覆结构，用以维持该自由合成反铁磁层的上述磁矩向量的方向。 

本发明更公开利用上述双态模式MRAM装置所构成的存储器阵列。在一种实施方式中，此存储器阵列包括多个磁阻存储单元、多条第一写入线、以及多条第二写入线。上述磁阻存储单元呈阵列排列，各自具有可切换磁态。上述第一写入线位于第一平面，对应该存储器阵列的列方向。上述第二写入线位于第二平面，对应该存储器阵列的行方向。上述第一与第二平面彼此不平行。上述磁阻存储单元各自位于所对应的第一与第二写入线之间的交错区域；上述第一与第二写入线于该交错区域的投影彼此相交，并且彼此非正交。在此实施方式中，上述第一写入线负责传递第一写入电流以提供所对应的磁阻存储单元第一磁场(H-Field)；上述第二写入线负责传递第二写入电流以提供所对应的磁阻存储单元第二磁场。上述第一与第二磁场乃根据既定操作方 式作用于所对应的磁阻存储单元，以切换该磁阻存储单元的磁态。各磁阻存储单元所对应的上述第一与第二写入线相对于该磁阻存储单元的磁异向性易磁化轴各具有小于45度的夹角；其中上述既定操作方式包括首先仅施予所对应的上述第一写入电流，接着同时施予所对应的上述第一与第二写入电流，接着仅施予所对应的上述第二写入电流，接着停止施予所对应的上述第二写入电流。 

根据本发明的存储器阵列，其中上述第一写入线或上述第二写入线的一个为非直线形或上述第一与第二写入线皆为非线形；非直线形的上述第一写入线或上述第二写入线的转折位于每个或每两个以上沿着上述行或列方向的上述磁阻存储单元之间。 

本发明更公开切换上述双态模式MRAM装置的方法。在一种实施方式中，该方法包括：提供第一写入电流流经第一写入线以于一磁阻存储单元产生第一磁场；提供第二写入电流流经第二写入线以于该磁阻存储单元产生第二磁场；其中该第一写入线位于第一平面并且其方向为第一方向，该第二写入线位于第二平面并且其方向为第二方向，上述第一与第二平面彼此平行，并且上述第一与第二方向彼此非正交。上述第一与第二磁场乃根据既定操作方式作用于该磁阻存储单元，以切换该磁阻存储单元的磁态。在此实施方式中，该磁阻存储单元设置于该第一与该第二写入线之间的交错区域。上述第一与第二写入线于该交错区域的投影彼此相交；其中上述既定操作方式包括首先仅施予该第一电流，接着同时施予上述第一与第二电流，接着仅施予该第二电流，接着停止施予该第二电流。 

本发明能够补偿偏磁场对作用磁场的角度的影响。 

为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出数个实施例，并配合所附图式作详细说明。 

附图说明

图1以透视图图解传统双态模式MRAM装置的简图； 

图2图解图1的传统双态模式MRAM装置100的MTJ堆叠10的结构； 

图3为传统双态模式MRAM装置100的俯视图； 

图4图解传统技术的双态模式写入操作； 

图5A为传统技术(具有偏压场的双态模式MRAM装置)的俯视图； 

图5B图解偏磁场对作用磁场的影响； 

图6以透视图图解本发明SATWL MRAM装置的一个实施方式； 

图7A为本发明SATWL MRAM装置的一个实施方式的俯视图； 

图7B，呈图7A，图解作用磁场的方向； 

图8、图9、图10，图解本发明的存储器阵列的实施方式。 

其中，附图标记说明如下： 

5～钉扎反铁磁子层； 

10～MTJ堆叠； 

20～自由合成反铁磁层； 

22～第一自由铁磁子层； 

24～第二自由铁磁子层； 

26～反铁磁耦合间隔子层； 

30～钉扎合成反铁磁层； 

32～钉扎铁磁子层； 

34～固定铁磁子层； 

36～反铁磁耦合间隔子层； 

40～隧道障壁； 

50、60～写入线； 

52、62～脉冲电流的方向； 

54、64～脉冲电流 

52、62的相关磁场的方向； 

75～偏磁场的方向； 

90～易磁化轴； 

92、94、96、98～磁矩向量； 

100～传统MRAM装置； 

600～SATWL MRAM装置； 

800、900、1000～存储器阵列； 

810、910、1010～SATWL MRAM装置；以及 

850、860、950、960、1050、1060～写入线。 

具体实施方式

图1以透视图图解传统双态模式MRAM装置的简图。传统双态模式MRAM装置100包括磁性隧道结堆叠(magnetic tunnel junction stack，MTJstack)10、第一写入线50、以及第二写入线60。如图1所示的实施方式，MTJ堆叠10与上述第一和第二写入线(50与60)并无接触，乃设置于上述第一与第二写入线(50与60)之间。在其他实施方式中，MTJ堆叠10可电连接第一写入线50、或电连接第二写入线60、或同时电连接第一与第二写入线(50与60)。此外，尽管图1所示的MTJ堆叠10为长方体，事实上亦可根据设计需要以其他形状尺寸实现。 

图2图解图1的传统双态模式MRAM装置100的MTJ堆叠10的结构。MTJ堆叠10为双态模式MRAM装置内的磁性物质，用以通过其磁矩向量的方向来储存数据。依照MRAM装置100所采用的写入操作的型态，MTJ堆叠10可包括三层。在使用双态模式写入的MRAM装置(即toggle-modeMRAM device)中，MTJ堆叠10可包括自由合成反铁磁层(free syntheticantiferromagnetic layer，free SAF layer)20、钉扎合成反铁磁层(pinned SAFlayer)30、以及隧道障壁(tunnel barrier)40。 

上述自由合成反铁磁层20可包括反铁磁耦结构(antiferromagnetically-coupled structure)，其中包括第一铁磁子层(firstferromagnetic sublayer)22、反铁磁耦合间隔子层(antiferromagnetic couplingspacer sublayer)26、以及第二铁磁子层(second ferromagnetic sublayer)24。第一铁磁子层22具有磁矩向量92。第二铁磁子层24具有磁矩向量94。反铁磁耦合间隔子层26消除上述第一与第二铁磁子层22与24之间的铁磁耦合效应(ferromagnetic coupling)，故磁矩向量92与94指向反方向。磁矩向量92与94具有一合向量(resultant vector)M_f，其大小远小于磁矩向量92与94的总磁化强度，故自由合成反铁磁层20近似平衡。 

在无作用磁场的状态下，近似平衡的自由合成反铁磁层20的磁异向性(magnetic anisotropy)令上述合向量M_f、磁矩向量92与94根据第一稳态方向排列。在存在作用磁场的状态下，近似平衡的自由合成反铁磁层20的磁矩向量92与94将旋转至与磁场近似正交。此响应不同于单一铁磁层结构或无 近似平衡的SAF结构的磁化响应；单一铁磁层结构或无近似平衡的SAF结构的磁化响应将令合向量M_f遵循作用场方向。双态模式写入操作可产生并且操作不同方向的磁场，以令磁矩向量92与94旋转180度。旋转后所得的新方向为第二稳态异向性方向，将令磁矩向量92与94各与其第一稳态方向反方向。上述第一与第二稳态方向使双态模式MRAM装置具有两种不同的存储状态，其双态模式写入操作将在之后段落详细叙述。 

自由合成反铁磁层20的反铁磁耦合结构可包括铁磁物质如Ni、Fe、Co、Ru、Cr、CoFe、CoFeB、CoNiFeB、Gd₂₃Fe₇₇、Gd₂₄Fe₇₆、Tb₁₉Fe₈₁、Tb₂₁Fe₇₉、Dy₁₇Fe₈₃、以及Dy₂₁Fe₇₉。除了以上所提即的铁磁物质，反铁磁耦合结构亦可包括其他铁磁物质。在其他实施方式中，自由合成反铁磁层20可包括多种反铁磁耦合结构。举例说明的，自由合成反铁磁层20可具有N层铁磁子层，由N-1层反铁磁耦合间隔子层分隔；N为大于2的整数。此种实施方式可增加切换力并且适用于小尺寸MTJ堆叠10。此外，针对不同的设计需求，多种额外结构亦可被加入自由合成反铁磁层20的铁磁子层中。举例说明，包覆结构可被加入以维持铁磁子层的磁态。上述包覆结构可包括软磁材料(softmagnetic material)，以提供磁通闭合(flux closure)机制，藉此预防退磁场(demagnetization field)的产生。 

钉扎合成反铁磁层30与自由合成反铁磁层20类似，同样可具有一反铁磁耦合结构。该反铁磁耦合结构包含一钉扎铁磁子层(pinned ferromagneticsublayer)32、反铁磁耦合间隔子层(antiferromagnetic coupling spacersublayer)36、以及固定铁磁子层(fixed ferromagnetic sublayer)34。钉扎铁磁子层32具有磁矩向量96。固定铁磁子层34具有磁矩向量98。在反铁磁耦合间隔子层36的作用下，磁矩向量96与98以反方向排列。磁矩向量96与98可具有合向量M_p。在钉扎反铁磁子层(pinning antiferromagnetic sublayer)5的作用下，合向量M_p为定值；其中，钉扎反铁磁子层5附着于钉扎合成反铁磁层30，位于MTJ堆叠10的底端。合向量M_p与磁矩向量96与98不因外加磁场而旋转，并且钉扎合成反铁磁层30不需近似平衡。 

合向量M_p的固定方向为钉扎合成反铁磁层30的磁异向性所定义的两个稳态方向其中之一。相较于合向量M_f，合向量M_p的固定方向可平行合向量M_f或为其反方向，其中，合向量M_f的方向不受外加磁场的影响。 

钉扎合成反铁磁层30的反铁磁耦合结构可包含铁磁物质如：Ni、Fe、Co、Ru、Cr、CoFe、CoFeB、CoNiFeB、Gd₂₃Fe₇₇、Gd₂₄Fe₇₆、Tb₁₉Fe₈₁、Tb₂₁Fe₇₉、Dy₁₇Fe₈₃、以及Dy₂₁Fe₇₉。然而，上述物质并非用来限缩本发明范围；上述反铁磁耦合结构更可包含其他铁磁物质。此外，反铁磁耦合结构更可为其他形式，例如NiFe+CoB及其他可用的化合物。 

隧道障壁40夹于自由合成反铁磁层20与钉扎合成反铁磁层30之间。隧道障壁40可包含电性绝缘物质，用以组成隧道结(tunneling junction)。举例说明的，此类电性绝缘物质可为铝氧化物、或MgO、AlN、TaN、Ta₂O₅。穿越穿遂位障40的电子将提供磁阻，此磁阻受自由合成反铁磁层20的磁矩向量的方向影响。磁矩向量92与94为一特定稳态方向时，MTJ堆叠10的磁阻较大；当磁矩向量92与94切换至另一稳态方向时，MTJ堆叠10的磁阻较低。通过量测MTJ堆叠10的磁阻，可得知双态模式MRAM装置的存储器状态。 

图1中，易磁化轴(easy axis)90标示MTJ堆叠10的磁性化方向。易磁化轴90即为与磁矩向量96和98的稳态方向同轴的磁异向性轴(magneticanisotropy axis)。在未施予磁场的状态下，自由合成反铁磁层20的磁矩向量92与94的稳态方向与易磁化轴90同轴。在施予磁场的状态下(例如磁场54或64)，磁矩向量92与94可旋转并偏离该易磁化轴90；一旦移除此作用磁场，磁矩向量92与94将再次沿易磁化轴90排列，其方向将与其原始方向平行或反方向。如前所述，钉扎合成反铁磁层30的磁矩向量96和98各固定指向稳态方向，故即使有磁场作用，磁矩向量96与98亦不改变其方向。 

图1所示的切换写入线50与60为电子导体，可于电流流经时产生磁场。当电流依图1所示的方向52流经第一写入线50时，产生磁场54。同样地，当电流依图1所示的方向62流经第二写入线60，产生磁场64。磁场54与64分别与电流52与62正交。在MTJ堆叠10所形成的平面(平行于第一与第二写入线50与60(即X与Y方向)所形成的平面)，磁场54与64的方向由右手定则(right-hand rule)决定。参阅图1，可见磁场54与64在MTJ堆叠10的平面上的方向范例。 

传统技术采用图1所示的结构产生能够切换双态模式MRAM的存储器状态的作用磁场；其中，第一与第二写入线50与60平行于上述二维平面。 此外，MTJ堆叠10位于第一与第二写入线50与60之间的交错区域(intersecting region)内。由X、Y轴所形成的平面透视观察，第一与第二写入线50与60的重叠处所形成的立体空间即上述交错区域；第一与第二写入线50与60的重叠部分可垂直投影至写入线50与60的方向所形成的平面(X、Y方向所形成的平面)。第一与第二写入线50与60于X-Y平面的正交投影彼此重叠，纵使实际的第一与第二写入线50与60并未重叠。 

如熟知本技术领域者所知，正交投影可显示物体的二维影像，此二维影像乃由物品上各点垂直投影至投影平面上所形成。图3为传统双态模式MRAM装置100的俯视图。图3将第一与第二写入线50与60投影在与第一与第二写入线50与60皆平行的平面上，其中亦包括易磁化轴90的正交投影。如图所示，实线为第一与第二写入线50与60的正交投影，虚线为易磁化轴90的正交投影。以下说明书内容中，除有额外附注者，其余有关第一与第二写入线(50与60)的相关方位、或第一与第二写入线(50与60)相对易磁化轴90的方位，皆以其于X-Y平面的正交投影观察。 

在图3所示的架构中，第一与第二写入线50与60以90°排列。MTJ堆叠10与易磁化轴90同轴。能自由转动的磁矩向量92与94原始与易磁化轴90同轴。在此设计中，易磁化轴90穿越第一与第二写入线50与60的交错处，并且与第一和第二写入线(50和60)各有45°夹角。 

参阅图3，在此架构中，电流52流经第一写入线50以产生磁场54；同样地，电流62流经第二写入线60以产生磁场64。根据传统双态模式切换技术以适当顺序施予磁场54与64，可令磁矩向量92与94于其第一与第二稳态方向间切换。 

图4图解双态模式写入操作，用以切换磁矩向量92与94于其第一与第二稳态方向。如图所示，写入操作包括施予脉冲电流52流经第一写入线50，并且在一段延迟时间后，施予脉冲电流62流经第二写入线60。在时间序t₀-t₄内，上述第一与第二脉冲电流52与62于第一与第二写入线50与60的交错处产生磁场，其方向陆续旋转。响应此磁场，自由合成反铁磁层20的磁矩向量92与94旋转180°，并且自第一稳态方向切换至第二稳态方向。此双态写入操作将确保磁矩向量92与94自稳态方向切换至另一稳态方向，无论第一稳态方向与何特定磁阻状态(高或低电平)有关。是故，第一与第二写入线 50与60不需多方向传导电流。 

图4详解作用磁场和磁矩向量(92与94)于不同时间区间时的方向。在写入操作开始之前(t₀)，脉冲电流52与62尚未开始作用，故无作用磁场产生。因此，磁矩向量92与94沿着易磁化轴90保持在其第一稳态方向。 

在写入操作的第一时间区间(t₁)中，脉冲电流52开始作用并且产生磁场54。在此时间区间(t₁)中，磁场54单独形成作用磁场；此作用磁场的方向标示于参阅图4的标号70。标号70与磁场54同方向，并且与易磁化轴90呈45°角。在此作磁用场的作用下，磁矩向量92与94仍旧指向相对的方向，并且旋转至偏离易磁化轴90；磁矩向量92与94方向各自与作用场方向70近似正交。参阅图示，在时间区间t₀至t₁中，磁矩向量92与94可能偏离180°夹角；其原因可能为磁矩向量92与94于自由合成反铁磁层20中耦合效应较少。若两者耦合效应够大，则可彼此精确地呈反方向。磁矩向量92与94于时间区间t₁内的方向如图4所示。此时磁矩向量92与94的方向会降低作用磁场的整体磁能，此状况并非稳定的能量状态；是故，若作用磁场在时间区间t₁内被移除，磁矩向量92与94会恢复成第一稳态方向与易磁化轴90同轴。 

如图4所示的时序图，在写入操作的第二时间区间t₂中，脉冲电流62开启与脉冲电流52同时作用，分别产生磁场64与54。图4以标号70’标示磁场64与54所产生的作用磁场的方向。70’所示的方向与易磁化轴90同轴，并且与原始方向70呈45°夹角。如图所示，作用磁场依顺时钟方向自方向70旋转至方向70’。由于作用磁场的方向改变，故磁矩向量92与94为了维持与作用磁场近似正交，将随的顺时钟改变。如图所示，时间区间t₂中，磁矩向量92与94与作用磁场的方向70’近似正交。 

在写入操作的第三时间区间t₃中，脉冲电流52停止作用但脉冲电流62持续作用，其时序图如图4所示。此时，磁场54被移除，仅剩磁场64单独作用，故作用磁场的方向随的改变(如图4所示的标号70”)。方向70”与方向70位于易磁化轴90的不同侧。方向70”与方向70呈90°角。由于与作用磁场由之前的方向70’顺时针旋转至方向70”，故时间区间t₃中，磁矩向量92与94亦顺时针旋转。参阅图4，时间区间t₀时磁矩向量92与94处于第一稳态方向，时间区间t₄时磁矩向量92与94处于第二稳态方向(与第一稳态方向 反方向)。由于时间区间t₃时，磁矩向量92与94的方向较接近第二稳态方向，故作用场移除后，磁矩向量92与94将朝第二稳态方向旋转。 

在结束写入操作时(时间区间t₄)，脉冲电流62停止作用并且磁场64(即时间区间t₃时的作用磁场)被移除。与时间区间t₀的磁矩方向92与94相较，时间区间t₄的末的磁矩方向92与94已旋转了180°，故双态模式MRAM装置100的存储器状态被切换成功。“切换场”一词描述大小足以将磁矩方向92与94自第一稳态方向旋转180°至第二稳态方向的作用磁场。 

降低双态模式切换场的大小是本技术领域当前重要的课题，可降低产生切换场所需要的能量并且降低双态模式MRAM装置的能量消耗。传统技术已利用偏磁场达成上述目的。偏磁场的方向与易磁化轴90相同，将作用于磁矩向量92与94上。在传统技术中，MTJ堆叠10不需为此偏磁场改变基本结构。钉扎合成反铁磁层30如前所述同样具有合向量M_p，然而，合向量M_p的大小在此改良技术中可被调整以产生杂散磁场(magnetic fringing field)，沿着易磁化轴90排列并且用来当作自由合成反铁磁层20内的偏磁场。调整钉扎合成反铁磁层30的技术包括：改变MTJ堆叠10的形状与尺寸、或改变钉扎合成反铁磁层30的成分。 

尽管偏磁场可降低切换场，但它亦会对写入操作中的作用磁场产生影响。如前所述，偏磁场的方向乃沿着易磁化轴90(图5B以标号75标示偏磁场的方向)。存储器输入电流时所产生的磁场将受此偏磁场影响，导致作磁用场由方向70、70’、与70”分别旋转至方向80、80’、与80”。在时间区间t₁中，方向75的偏磁场与磁场54结合(方向为70)，令作用磁场顺时针旋转至方向80。在时间区间t₃中，方向75的偏磁场与方向70”的磁场结合，令作用磁场顺时针旋转至方向80”。在时间区间t₂中，方向70的偏磁场和流经互相正交的写入线(50与60)的脉冲电流52与62所产生的磁场结合，令作用磁场的方向旋转至方向80’。若脉冲电流52与62的大小近似，作用场的方向80’将近似其于无偏磁场状态下的方向70’。图5B的说明例假设脉冲电流52与62具有相同大小，因此方向70’与80’相近。然而，在其他实施方式中，脉冲电流52与62的大小可能不同。例如，无视于能量耗损，脉冲电流62的大小可被调整为大于脉冲电流52的大小。 

由上述内容可知，偏磁场对作用磁场的影响将负面影响双态模式写入操 作，导致写入错误发生。由于偏磁场令作用磁场于时间区间t₃顺时针旋转至方向80”，磁矩向量92与94相较于图4的相关实施方式具有较高的能量，较不稳定。因此，作用场移除时，磁矩向量92与94转向第一稳态方向的机率高于转向第二稳态方向的机率。同样的问题亦发生在时间区间t₁的顺时针旋转上。由于作用磁场偏离理想的方向(70、70”)，故将增加写入错误发生的机率。 

本发明通过校正作用磁场至方向70、70’、70”(无偏磁场时的方向)，以降低上述偏磁场技术的副作用。图6以透视图图解本发明一个实施方式，MRAM装置600以非正交切换写入线(small-angle-toggle-write-lines，SATWL)施予作用磁场，故又称SATW MRAM装置。在此实施方式中，SATWL MRAM装置600的三度空间图(坐标为X-Y-Z)与图1所示的传统MRAM装置100类似。SATWL MRAM装置600可采用与传统双态模式MRAM装置100相同的物质与结构。此外，钉扎合成反铁磁层30可依照先前技术于自由合成反铁磁层20产生一偏磁场。 

然而，根据本发明所公开的技术，图6所示的新颖MRAM装置600令第一与第二写入线50与60彼此以一特定的方向排列。相较于传统双态模式MRAM装置令第一与第二写入线50与60于X-Y平面上呈正交，本案的第一与第二写入线50与60不为正交并且于X-Y平面上呈锐角交错。本发明的第一与第二写入线50与60在Z-X与Z-Y平面上的投影可如图6所示彼此平行，亦可以非平行的方式实现。 

图7A为SATWL MRAM装置600的俯视图。相较于先前技术，此实施例将第一写入线50于X-Y平面上逆时针旋转并且将第二写入线60于X-Y平面上顺时针旋转，故第一与第二写入线50与60于X-Y平面上的投影的夹角不再为90°。本发明可以任何非90°角度实现上述夹角。例如，本发明可将第一写入线50的方向维持与传统技术相同，只改变第二写入线60的方向(顺时针或逆时针旋转的)。此外，第一与第二写入线50与60可互换，故本发明SATWL MRAM装置的结构的方向可根据本发明所公开的技术调整。例如，可将第一写入线50顺时针方向旋转并且将第二写入线60逆时针方向旋转以产生上述非正交角。 

参阅图7A，第一与第二写入线50与60于X-Y平面的投影所形成的锐 角夹角标示为θ；故所形成的钝角夹角为180°-θ。 

参阅图7A，易磁化轴90穿越第一与第二写入线50与60所形成的锐角中间(与第一与第二写入线50与60各呈θ/2)，MTJ堆叠10可沿着易磁化轴90设置；易磁化轴90的方向如第7图所示。然而，在其他实施方式中，本发明亦可令易磁化轴90与第一写入线50具有第一夹角，并且与第二写入线60具有第二夹角；以运用在脉冲电流52与62大小不同并且产生不同大小的磁场的状况。 

如图7A所示，SATWL MRAM装置600的写入线非正交结构改变脉冲电流52与62所产生的磁场的方向。磁场54与64的新方向将校正第一与第二写入线50与60的交错区域中作用磁场的方向。不同于传统技术中脉冲电流所产生的磁场方向70，通过SATWL MRAM装置的第一写入线50的脉冲电流52所产生的磁场54的方向如标号72所示。方向70逆时针旋转后可得方向72。通过第二写入线60的脉冲电流62所产生的磁场64的方向如标号72”所示，用以取代传统技术的方向70”。不同于方向72为方向70的逆时针偏移，方向72”为方向70的顺时针偏移。 

在本发明的双态模式写入操作中，方向72的磁场54与方向72”的磁场64可补偿偏磁场所造成的影响。参阅图7B所示的时间区间t₁，方向72的磁场54将克服偏磁场(方向75)的顺时针偏移效应，令装置600的作用磁场为方向82(不同于传统技术的方向80)。时间区间t₃中，方向72”的磁场64将克服偏磁场的逆时针偏移效应，令装置600的作用磁场为方向82”(不同于传统的方向80”)。 

本技术将作用磁场校正至理想方向82、82”，与无偏磁场的技术的作用磁场方向相同(70、70”)。此作用磁场校正与θ决定有关；θ为本发明非正交的第一与第二写入线的锐角夹角。为了决定θ大小，首先必须先定义图7A所标示的X-Y平面。X方向定义为与无偏磁场技术的作用磁场方向70正交，此定义将令方向70没有分量存在于X方向。Y方向定义为与无偏磁场技术的作用磁场方向70”正交，此定义将令方向70”没有分量存在于Y方向。在X-Y平面上，X轴与Y轴彼此正交，并且易磁化轴90与X轴和Y轴各呈45°夹角。 

为了让方向82与方向70相同，必须审慎决定θ，令作用磁场的方向82 于X轴的分量近似零；即偏磁场(方向75)与磁场54(方向72)于X轴的分量相互抵销。偏磁场(方向75)于X轴的分量可表示为： 

B_biascos45° 

其中，B_bias为偏磁场的大小。磁场54(方向72)于X轴的分量可被表示为： 

B₅₄sin(45°-θ/2) 

其中，B₅₄为磁场54的大小。因此，θ值可由等式(1)求得： 

B_biascos45°＝B₅₄sin(45°-θ/2)    (1) 

同样地，欲令方向82”与方向70”相同，θ值必须令方向82”于X-Y平面上没有Y轴的分量。偏磁场(方向75)于Y轴的分量为： 

B_biassin45° 

并且磁场64(方向72”)于Y轴的分量为： 

B₆₄sin(45°-θ/2) 

其中B₆₄为磁场64的大小。因此，θ值必须满足等式(2)： 

B_biassin45°＝B₆₄sin(45°-θ/2)    (2) 

利用上述方程式，可选择θ值以令方向82与82”分别与方向70和70”相同。举例说明的，在脉冲电流52与62具有相同大小的状态下，磁场大小B₅₄与B₆₄相等。因此，等式(1)与(2)的等号右手边可简化如下： 

Bsin(45°-θ/2) 

其中，B为B₅₄与B₆₄的值。等式(1)与(2)的等号左手边可简化如下： 

0.707B_bias

因为sin45°与cos45°皆为 故B_biassin45°＝0.707B_bias。因此，可依等式(3)求得θ值： 

0.707B_bias＝Bsin(45°-θ/2)    (3) 

其中θ为锐角，大于0°小于90°，其值由B与B_bias决定。然而，在脉冲电流52与62不相等的实施方式中，可由上述等式(1)或(2)求得θ大小。 

在脉冲电流52与62不同的例子中，可令时间区间t₃中方向82”相等于方向70”以求θ值。此假设是基于偏磁场于其他时间间隔中不易发生写入错误，并且与磁矩向量92和94于作用磁场移除前的能量状态和稳定度(决定写入错误的发生机率)有关。在不同的设计考虑下，本发明亦可采用不同的设计方法。 

图8图解本发明的存储器阵列的一部分结构，存储阵列800包括SATWL 

MRAM装置(标示为810)。在此实施方式中，各SATWL MRAM装置810的MTJ堆叠为椭圆形，而非前述实施方式所采用的矩型。纵使其形状与前述实施方式不同，并不影响MTJ堆叠与写入线的相对关系。与前述实施方式相同，各MTJ堆叠的易磁化轴同样通过本发明所提出的非正交的写入线所形成的锐角。 

如图8所示的实施方式，SATWL MRAM装置810呈阵列排列。为了形成如此整齐网状排列的存储器阵列800，此实施例采用一组直线状的写入线850以及一组Z形(或非直线形(staggered))的写入线860。沿着存储器阵列800的一维度方向，写入线850为直线并且彼此平行(此实施例中，此组写入线850乃依水平方向排列，本发明亦可以垂直方向实现此组写入线)；且SATWL MRAM装置810可沿着此组写入线850排列。在存储器阵列800的另一方向，写入线860呈Z形，以令SATWL MRAM装置810能排列成方正的阵列形状。上述写入线布局方式是为了满足本发明令各MTJ堆叠810的相关写入线非正交的要求。因此，如图8所示，写入线860在与各水平笔直写入线850呈θ角交错后，便以Z字型转折，以令同一写入线860上的SATWL MRAM装置810得以笔直排列成一行。在其他实施方式中，亦可令垂直方向的写入线为笔直，而水平方向的写入线为Z形。 

图9图解本发明存储器阵列的另一种实施方式，其中存储器阵列亦呈方正的阵列形状排列。存储器阵列900包括呈阵列排列的多个SATWL MRAM装置910。本实施方式以两组呈Z形的写入线形成存储器矩阵900，其中一组标示为950，另一组标示为960。第一组写入线950沿着存储器阵列900的一个维度呈Z形排列，并且第二组写入线960沿着另一个维度呈Z形排列。写入线950与960的交错区域各安排有SATWL MRAM装置910。写入线950与960于此交错区域的投影的锐角夹角为θ。此实施例均匀地设置写入线950与960的Z形转折处，故SATWL MRAM装置910得以于各列与各行呈笔直排列。此外，在其他实施方式中，本发明亦可令不同维度方向的写入线(50与60)皆为笔直；由于两组写入线(50与60)彼此并非正交，故SATWL MRAM装置并不会排列呈方正的阵列，而是沿着非正交的两组写入线(50与60)的方向排列，呈歪斜的阵列形状。 

除了图8与图9所示的存储器阵列800与900，SATWL MRAM装置尚可根据不同设计以其他阵列型式排列。例如，图10图解本发明存储器阵列的另一种实施方式。相较于图8与图9所示的存储器阵列，存储器阵列1000可容纳更高密度的SATWL MRAM装置(图10中标示为1010)。如图所示，在一个维度上，SATWLMRAM装置1010沿着一组互相平行的写入线1050排列；在另一维度上，SATWL MRAM装置1010沿着一组Z形写入线1060排列。不同于图8的实施方式(Z形写入线860每经过笔直写入线850即Z形转折一次)，本实施方式的Z形写入线1060每经过两条笔直写入线1050方Z形转折一次；故写入线1050彼此可以更高密度排列，使得存储器阵列1000可以高密度容纳SATWL MRAM装置。 

上述多种实施方式仅为本发明的SATWL MRAM装置的说明例，并非用来限制本发明的范围。任何基于本发明的权利要求所发展的技术，皆属于本说明书所欲保护的范围。本发明的权利要求不受上述说明例所限制。依照本发明的权利要求和与等效的技术所得的产物皆属于本发明所欲保护的范围。此外，上述实施例所达成的改善并非用来限制本发明的权利要求至达成此改善的步骤或结构。 

本发明虽以数个实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的变化与修改，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。 

Claims (9)

1.一种磁阻随机存取存储器装置，包括：

第一写入线，依第一平面上的第一方向延伸；

第二写入线，依第二平面上的第二方向延伸，该第二平面平行上述第一平面，其中该第二方向与上述第一方向不正交；以及

磁阻存储单元，具有可切换磁态，设置于上述第一与第二写入线之间的交错区域中，该交错区域位于该第一与该第二平面之间，上述第一与第二写入线于该交错区域的投影彼此相交；

其中，该第一写入线用于传递第一写入电流以提供该磁阻存储单元第一磁场，该第二写入线用于传递第二写入电流以提供该磁阻存储单元第二磁场；上述第一与第二磁场共同依照既定操作方式作用于该磁阻存储单元时，足以切换该磁阻存储单元的磁态；以及上述第一与第二写入线相对于该磁阻存储单元的磁异向性易磁化轴各具有小于45度的夹角；

其中上述既定操作方式包括首先仅施予该第一写入电流，接着同时施予上述第一与第二写入电流，接着仅施予该第二写入电流，接着停止施予该第二写入电流。

2.如权利要求1所述的磁阻随机存取存储器装置，其中该磁阻存储单元为双态模式存储元件，该双态模式存储元件包括：

自由合成反铁磁层；

钉扎合成反铁磁层；以及

隧道障壁，设置于该自由合成反铁磁层与该钉扎合成反铁磁层之间；

其中上述自由合成反铁磁层与钉扎合成反铁磁层各自包括方向相反的磁矩向量；于上述第一与第二磁场尚未作用的状况下，上述磁矩向量的方向沿着上述磁异向性易磁化轴的方向延伸以定义该磁阻存储单元于第一磁态；以及

其中上述第一与第二磁场以上述既定操作方式作用时，该自由合成反铁磁层的上述磁矩向量相对该磁阻存储单元旋转至与该第一磁态相反的方向，使得该磁阻存储单元切换至第二磁态；

其中该钉扎合成反铁磁层包括杂散磁场；该杂散磁场沿着上述磁异向性易磁化轴的方向延伸，并且产生偏磁场作用于该自由合成反铁磁层的上述磁 矩向量上，以降低于切换该磁阻存储单元的磁态时，依上述既定操作方式作用于该磁阻存储单元所需的上述第一与第二磁场的大小。

3.如权利要求2所述的磁阻随机存取存储器装置，其中，该第一与第二磁场的方向非正交，该第一磁场结合该偏磁场以提供第一作用磁场于该自由合成反铁磁层，该第二磁场结合该偏磁场以提供第二作用磁场于该自由合成反铁磁层，上述第一与第二作用磁场的方向互相正交。

4.如权利要求2所述的磁阻随机存取存储器装置，其中上述磁异向性易磁化轴通过上述第一与第二方向之间的锐角夹角。

5.如权利要求4所述的磁阻随机存取存储器装置，其中上述锐角夹角由上述磁异向性易磁化轴平分。

6.如权利要求2所述的磁阻随机存取存储器装置，其中还包括包覆结构，用以维持该自由合成反铁磁层的上述磁矩向量的方向。

7.一种存储器阵列，其中包括：

多个磁阻存储单元，呈阵列排列，各自具有可切换磁态；

多条第一写入线，位于第一平面上，对应该阵列的列方向；以及

多条第二写入线，位于平行该第一平面的第二平面上，对应该阵列的行方向；

其中上述磁阻存储单元各自位于所对应的上述第一与第二写入线之间的交错区域，上述第一与第二写入线的投影于所对应的上述交错区域非正交交错；

上述第一写入线各自传递第一写入电流以提供所对应的上述磁阻存储单元第一磁场，上述第二写入线各自传递第二写入电流以提供所对应的上述磁阻存储单元第二磁场；上述第一与第二磁场以既定操作方式作用上述磁阻存储单元的一个时，足以切换对应的上述磁阻存储单元的磁态；各磁阻存储单元所对应的上述第一与第二写入线相对于该磁阻存储单元的磁异向性易磁化轴各具有小于45度的夹角；

其中上述既定操作方式包括首先仅施予所对应的上述第一写入电流，接着同时施予所对应的上述第一与第二写入电流，接着仅施予所对应的上述第二写入电流，接着停止施予所对应的上述第二写入电流。

8.如权利要求7所述的存储器阵列，其中上述第一写入线或上述第二写 入线的一个为非直线形或上述第一与第二写入线皆为非线形；非直线形的上述第一写入线或上述第二写入线的转折位于每个或每两个以上沿着上述行或列方向的上述磁阻存储单元之间。

9.一种切换磁阻随机存取存储器装置的方法，包括：

提供第一电流输入第一写入线以产生第一磁场作用于磁阻存储单元；该第一写入线位于第一平面上，其方向为第一方向；以及

提供第二电流输入第二写入线以产生第二磁场作用于该磁阻存储单元；该第二写入线位于平行于该第一平面的第二平面，其方向为第二方向，并且该第二方向不正交于该第一方向；上述第一与第二磁场依照既定操作方式作用于该磁阻存储单元，以切换该磁阻存储单元的磁态；上述第一与第二写入线相对于该磁阻存储单元的磁异向性易磁化轴各具有小于45度的夹角；

其中该磁阻存储单元设置于上述第一与第二写入线之间的交错区域中，该交错区域位于该第一与该第二平面之间，上述第一与第二写入线于该交错区域的投影彼此相交；

其中上述既定操作方式包括首先仅施予该第一电流，接着同时施予上述第一与第二电流，接着仅施予该第二电流，接着停止施予该第二电流。 

Images