CN1467744A - 磁性随机存取存储器及其读写数据的方法 - Google Patents

磁性随机存取存储器及其读写数据的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁性随机存取存储器(RAM)及其读写数据的方法，其利用了热磁自发霍尔效应。磁性RAM包括MOS晶体管、存储层、加热部件和写入线。存储层连接MOS晶体管的源极并将数据写入其中。加热部件加热存储层。写入线向存储层施加磁场以改变被加热的存储层的磁化状态。磁性RAM可增加高度集成导致的矫顽力并提高单元的热稳定性。磁性RAM因小的单元电阻而可在极快的速度下运行。此外，因磁性RAM可通过现有半导体制造工艺简单制造，所以降低了制造成本。再者，因磁性RAM利用了自发霍尔电压随存储层的磁化状态而极大不同的现象来读写数据，所以其提供了大的数据感测范围。

Description

磁性随机存取存储器及其读写数据的方法
技术领域
本发明涉及磁性RAM(随机存取存储器)(MRAM)及其读写数据的方法的领域，更具体地，涉及一种利用热磁自发霍尔效应(thermo-magneticspontaneous hall effect)的MRAM及其读写数据的方法。
背景技术
巨磁阻(GMR)来自电子经过两相邻磁性层时，薄膜电阻的取决于该两层相邻的磁性层是被平行磁化还是被反平行磁化的变化。GMR可以参照自旋相关散射来说明。
即使在该两层磁性层中插入诸如氧化铝膜(Al2O3)的绝缘膜，而非金属膜，自旋相关散射也会发生。该自旋相关散射被称为隧穿磁阻(TMR)。
传统的MRAM是利用这种GMR或TMR的非易失性存储器。因此，与DRAM或SRAM相比，MRAM中记录的信息即使切断电源也不会丢失。
GMR存储器具有自旋开关结构，该结构由具有高矫顽力的钉扎层和具有低矫顽力的自由层构成。在GMR存储器中，信息写入通过利用由施加到字线和位线上的电流产生的诱发磁场改变自由层的自旋方向来实现。信息读出通过将电流施加到字线上，并自位线测量电阻来实现。
TMR存储器相比于GMR存储器具有大的磁阻。因此，如果采用TMR存储器，则可获得高的信号，并可减低电源消耗。然而，当TMR存储器尺寸减小时，其操作时间延长，且噪声增加，因为TMR存储器具有大的电阻，例如约106Ωμm2。
在这样的传统MRAM中，当单元尺寸减小到亚微米或更小时，矫顽力增加，且单元的热稳定性降低。这较大地阻碍了集成。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种利用热磁自发霍尔效应的磁性RAM(MRAM)，该MRAM能高度地集成、能超速运行、且能简单制造，从而降低生产成本。
本发明的另一个目的是提供一种利用MRAM的数据写入方法。
本发明的再一个目的是提供一种利用MRAM的数据读出方法。
为了实现第一个目的，本发明提供了一种利用自发霍尔效应的磁性RAM。在该磁性RAM中，在MOS(金属氧化物半导体)晶体管的源极上连接有一加热部件。存储层具有形成在该加热部件上的一部分。数据“1”或“0”写到该部分中。位线形成在该存储层上以经过该加热部件。一绝缘膜覆盖该位线和该存储层。写入线形成在该绝缘膜上，产生数据写入所需的磁场，并将该磁场至少施加到存储层位于该加热部件上的部分上。
该加热部件设置在与MOS晶体管的栅极相连的字线上。
该加热部件是能够被加热的镍铬(NiCr)合金层，或氮化钛铝(TiAlN)层。
优选地，该存储层是非晶体稀土(RE)过渡金属(TM)层。
为了实现第二个目的，本发明提供一种数据写入方法，该方法中，选择数据将要写入的、具有一存储层的存储单元，然后通过加热该存储层直至存储层进入顺磁态来写入数据。
为了实现第二个目的，本发明提供了另一种数据写入方法，包括以下步骤：选择数据将要写入的、具有一存储层的存储单元；通过加热该存储层直到该存储层进入顺磁态来写入第一数据；以及通过将该存储层的顺磁态改变成铁磁状态来将第二数据写入该存储器。
为了实现第三个目的，本发明提供一种数据读出方法，包括以下步骤：选择已经写入了数据的、具有一存储层的存储单元；将读出电流施加到所选择的存储单元内的存储层上；以及测量该存储层的自发霍尔电压以从存储层中读出数据。
根据本发明，磁性RAM可提高高度集成导致的矫顽力，并改善单元的热稳定性。该MRAM可因小的单元电阻而在超速下运行。此外，由于MRAM可通过现有的半导体制造工艺来简单地制造，所以制造成本降低。此外，由于MRAM利用了自发霍尔电压显著地随存储层的磁化状态而变化的事实来写入或读出数据，所以可提供高的数据感测容限。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，本发明的以上目的和优点将变得更清晰，其中：
图1是根据本发明一实施例的、利用热磁自发霍尔效应的磁性RAM(MRAM)单位存储单元的透视图；
图2和3是透视图，用于说明分别向图1的单位存储单元写入数据“1”和“0”的方法；以及
图4和5是透视图，用于说明从图1的单位存储单元分别读出数据“1”和“0”的过程。
具体实施方式
根据本发明实施例的磁性RAM(MRAM)是写入数据的存储层，该存储层由磁性的非晶稀土过渡金属(以下称为非晶RE-TM)形成。存储层利用了随其自身的磁化状态而改变的自发霍尔效应。也即，该存储层的霍尔电压随其自身的磁化状态而不同。根据本发明实施例的MRAM利用该自发霍尔效应来写入和读出数据。
该自发霍尔效应由自旋-轨道相互作用，即磁性材料中自由电子和磁矩之间的相互作用导致，这是磁性材料的特有性能。磁性材料中的自发霍尔效应明显大于洛仑兹力导致的霍尔效应(以下称为普通霍尔效应)。具体地，非晶RE-TM中的自发霍尔效应远大于普通霍尔效应，使得本发明中由普通霍尔效应导致的霍尔电压可忽略。
存储层中的自发霍尔效应随存储层自身的磁化状态而改变。也即，存储层中的自发霍尔效应随存储层是处于顺磁态还是处于铁磁状态而不同。
如果存储层由非晶RE-TM形成，则当其被加热至居里点或更高时，其进入电子自旋随机取向的顺磁态。因此，存储层的自发霍尔效应导致的自发霍尔电压降低。当存储层处于顺磁态时，如果施加外磁场，则存储层中的电子沿外磁场的特定方向排列。也即，存储层中的电子在平行于外磁场方向的方向上自旋，使得存储层进入铁磁状态。结果，因存储层的自发霍尔效应导致的自发霍尔电压远大于存储层处于顺磁状态时。
本发明涉及一种用于利用存储层的上述特性来写入和读出数据“0”或“1”的MRAM，并涉及一种利用该特性的数据写入和读出方法。
根据本发明实施例的MRAM由多个单位单元构成，数据一位接一位地写入该单元。图1示出了一个单位单元的结构。
参考图1，单位单元由上部和下部结构P1和P2构成。加热部件50间插在上部和下部结构P1和P2之间。
下部结构P2包括一MOS晶体管(例如NMOS晶体管)和用于将MOS晶体管的掺杂区，例如源极区(S)电连接到加热部件50上的金属引线44。金属引线44可以是多种导电引线中的一种，例如铝引线或掺杂多晶硅引线。在下部结构P2中，附图标记G和D分别表示MOS晶体管的栅极和漏极。附图标记WL表示连接到栅极G的字线。附图标记40和42分别表示其上形成该MOS晶体管的衬底和连接至漏极D的地线。第一绝缘膜46间插在连接至加热部件50的金属引线44和字线WL之间。
上部结构P1包括存储层52、位线BL、第二绝缘膜54和写入线56。存储层52具有其中写入数据“0”或“1”，并平行于字线WL的区域52a。位线BL垂直于存储层52设置，并切换写入存储层52的数据。第二绝缘膜54覆盖存储层52和位线BL。写入线56设置在第二绝缘膜54上，并平行于存储层52。为了将数据写入存储层52的区域52a(以下称为数据写入区)，首先，通过加热部件50将数据写入区52a加热至给定温度(优选地为居里点)或更高。接着，根据待写入的数据类型确定数据写入区52a的磁化状态，以确定数据写入区52a的自发霍尔电压的高低。
如果待写入的数据为1，则数据写入区52a进入铁磁状态，以获得高的自发霍尔电压。然而，如果待写入的数据为0，则数据写入区52a进入顺磁态，以获得低的霍尔电压。可选地，如果待写入的数据为1，则数据写入区52a进入顺磁态，以获得低的自发霍尔电压。然而，如果待写入的数据为0，则数据写入区52a进入铁磁状态，以获得高的霍尔电压。
当数据写入存储层52的数据写入区52a时，存储层52的磁化状态由写入线56确定。即，数据写入区52a的自发霍尔电压也由写入线56确定。
更具体地，当数据“1”写入数据写入区52a时，对写入线56施加电流值以使被加热到给定温度或更高的数据写入区52a进入铁磁状态。结果，强度正比于电流值的磁场在写入线56周围形成，且数据写入区52a处于磁场中。此时，被加热的数据写入区52a处于顺磁态。当磁场经过处于顺磁态的数据写入区52a时，数据写入区52a的电子的自旋方向平行于磁场排列。因此，数据写入区52a的磁化状态由顺磁态变成了铁磁状态，使得获得高的自发霍尔电压。因此，数据“1”被认为写入了数据写入区52a。
另一方面，如果“0”被写入数据写入区52a，则不向写入线56施加电流。因此，在写入线56周围不形成磁场。与写入数据“1”的情形不同，在写入数据“0”时，没有磁场穿过该数据写入区。因此，数据写入区52a的顺磁态在其被加热时得以保持，使得数据写入区52a的自发霍尔电压降低。对于数据写入区52的低的自发霍尔电压，认为数据“0”被写入了数据写入区52。
存储层52为非晶RE-TM层，优选地为具有铽(Tb)和钴(Co)的TbCo合金层。存储层52的数据写入区52a设置在加热部件50上，使得它们处于接触状态。第二绝缘膜54为氧化硅膜，但是可为其它膜。加热部件50为一材料膜，其通过从下部结构P2的MOS晶体管获得的，并流经位线BL的电流加热，以加热存储层52的数据写入区52a。优选地，加热部件50将数据写入区52a加热至给定温度或更高(例如，存储层52为铽和钴合金层情况下的250℃)并持续一给定的时期，更优选地为加热至居里点或更高并持续一短时间。例如，加热部件50可以是镍铬(NiCr)合金层或氮化钛铝(TiAlN)层。
以下，将参照图2和3说明将数据写入MRAM的方法。首先，将参照图2说明写入数据“1”的方法，图2示出了施加来加热图1的MRAM的加热部件50的电流Ih、以及由施加到写入线56上的电流Iw在数据写入区52a中形成的磁场B。
参照图2，电流Ih(以下称为加热电流)由下部结构P2的MOS晶体管经由加热部件50施加到位线BL上。优选地，加热电流Ih施加到一定程度，使得存储层52至少被加热到居里点。如果存储层52为TaCo层，则优选的是，加热电流Ih施加到一定程度，使得存储层52被加热到至少250℃并维持一给定时期。当加热部件50由加热电流Ih加热以将数据写入区52a加热至数据写入区52a自身的居里点或更高时，将一预定的电流Iw(以下称为写入电流)施加到写入线56上，以在写入线56周围产生磁场B。优选地，将施加到写入线56上的写入电流Iw施加到一定程度，使得数据写入区52a中形成的磁场B具有足以改变被加热的数据写入区52a的磁化状态(为顺磁态)至铁磁状态的强度。图2中，附图标记Sd表示数据写入区52a的电子的自旋方向，该方向被磁场B排列在磁场B的方向上。由于数据写入区52a的电子自旋方向排列在磁场B的方向上，所以数据写入区52a的磁化状态变成了铁磁状态。数据写入区52a的自发霍尔电压远大于数据写入区52a处于顺磁态时。数据写入区52a的自发霍尔电压的这样的增大意味着数据“1”已被写入。
在写入数据“0”的方法中，如图3所示，施加加热电流Ih以加热该加热部件50。被加热的加热部件50加热存储层52的数据写入区52a至给定温度或更高。此过程与写入数据“1”时相同，除了数据写入区52a被加热后不向写入线56施加电流以外。也即，不向被加热的数据写入区52a施加磁场。因此，数据写入区52a的磁化状态变成电子自旋方向随机取向的状态。也即，数据写入区52a的磁化状态变成顺磁态。处于顺磁态下的数据写入区52a的自发霍尔电压远低于铁磁状态下的。数据写入区52a的自发霍尔电压的这种下降意味着数据“0”已被写入。
在上述数据记录方法中，数据“1”可按写入数据“0”的方法写入，反之亦然。即，当数据写入区52a具有大的自发霍尔电压时，其可被当作数据“0”已被写入的情形。当数据写入区52a具有小的自发霍尔电压时，其可被当作数据“1”已被写入的情形。
以下，将说明从图1的MRAM的数据写入区52a读取数据的方法。此处，当数据写入区52a具有大的自发霍尔电压时，其被当作数据“1”已被写入的情形。当数据写入区52a具有小的自发霍尔电压时，其可被当作数据“0”已被写入的情形。或者，当数据写入区52a具有大的自发霍尔电压时，其可被当作数据“0”已被写入的情形。当数据写入区52a具有小的自发霍尔电压时，其可被当作数据“1”已被写入的情形。
在读取数据“1”的方法中，如图4所示，读出电流Ir施加到写入线56上，然后测量数据写入区52a的顶部和底部之间的自发霍尔电压Vh。由于数据写入区52a的电子的自旋方向Sd与写入数据“1”时所施加的磁场的方向相同，所以数据写入区52a的磁化状态为铁磁状态。因此，测得的数据写入区52a的自发霍尔电压Vh较大。
在读取数据“0”的方法中，如图5所示，向写入线56施加读出电流Ir，然后测量数据写入区52a的顶部和底部之间的自发霍尔电压Vh1。此处，与写入数据“1”时的情形不同，数据写入区52a的电子不在一特定方向上自旋。即，已经写入数据“0”的数据写入区52a的电子自旋方向为随机取向。因此，数据写入区52不具有在一特定方向上排列的电子自旋。因此，数据写入区52a进入顺磁状态。测得的数据写入区52a的自发霍尔电压Vh1远小于读取数据“1”时的。
虽然本发明已经参照其优选实施例进行了具体显示和说明，但是应当理解的是，在不脱离本发明的由所附权利要求所限定的精髓和范围的情况下，本领域普通技术人员可对其作各种形式和细节上的改变。例如下部结构中的MOS晶体管可由各种晶体管中的一种取代，且上部和下部结构中的绝缘膜可以是多层膜。
如上所述，根据本发明的MRAM可增加高度集成导致的矫顽力，并提高单元的热稳定性。该MRAM因小的单元电阻而可以极快的速度运行。此外，由于MRAM可通过现存的半导体制造工艺来简单地制造，所以制造成本降低。再者，由于MRAM利用自发霍尔电压随存储层的磁化状态而极大不同的现象来写入或读出数据，所以它提供了大的数据感测范围。

Claims (16)

1.一种磁性随机存取存储器，其利用了自发霍尔效应，该磁性随机存取存储器包括：
形成在金属氧化物半导体晶体管上的加热部件，其中该加热部件连接到该金属氧化物半导体晶体管的源极；
存储层，其一部分形成在该加热部件上，数据写入到该部分中；
位线，其经过存储层的其中写入数据的该部分；
绝缘膜，其覆盖该位线和该存储层；以及
写入线，其形成在该绝缘膜上，使得数据写入所需的磁场至少在存储层的其中写入数据的该部分中形成。
2.如权利要求1所述的磁性随机存取存储器，其中，该加热部件直接设置在该金属氧化物半导体晶体管的栅极上。
3.如权利要求1所述的磁性随机存取存储器，其中，该加热部件是能被电流加热的包括镍和铬的合金层和氮化钛铝(TiAlN)层中的任何一种。
4.如权利要求1所述的磁性随机存取存储器，其中，该存储层是非晶稀土(RE)过渡金属(TM)层。
5.一种数据写入方法，包括：
选择具有其中将写入数据的存储层的一存储单元；以及
通过加热该存储层直至该存储层进入顺磁状态来写入数据。
6.如权利要求5所述的数据写入方法，其中，该存储层由设置在该存储层下面的加热部件加热。
7.如权利要求6所述的数据写入方法，其中，该存储层通过使电流流经该加热部件来加热。
8.如权利要求5所述的数据写入方法，其中，该存储层由非晶稀土过渡金属形成。
9.如权利要求6所述的数据写入方法，其中，该加热部件是包括镍和铬的合金层和氮化钛铝(TiAlN)层中的任何一种。
10.一种数据写入方法，包括：
选择具有其中将写入数据的存储层的一存储单元；
通过加热该存储层直至该存储层进入顺磁状态来写入第一数据；以及
通过将该存储层的顺磁态改变成铁磁状态来将第二数据写入该存储层。
11.如权利要求10所述的数据写入方法，其中，该存储层由设置在该存储层下面的加热部件加热。
12.如权利要求11所述的数据写入方法，其中，该存储层通过使电流流经该加热部件来加热。
13.如权利要求10所述的数据写入方法，其中，该存储层由非晶稀土过渡金属形成。
14.如权利要求11所述的数据写入方法，其中，该加热部件是包括镍和铬的合金层和氮化钛铝(TiAlN)层中的任何一种。
15.如权利要求10所述的数据写入方法，其中，通过使电流流到该存储层上并与该存储层平行，将该存储层的顺磁状态改变成铁磁状态。
16.一种数据读出方法，包括：
选择具有其中已写入数据的存储层的一存储单元；
将读出电流施加到所选存储单元的该存储层上；以及
测量该存储层的自发霍尔电压以从该存储层中读出数据。
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