CN1619700A - 磁性随机存取记忆胞、阵列及程式化此种记忆胞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种磁性随机存取记忆胞、阵列及程式化此种记忆胞的方法。该磁性随机存取记忆胞，包含一第一字元线与垂直于第一字元线的一第一位元线。配置于第一字元线与第一位元线的一交叉处的是具有一垂直磁场方向的一磁性隧道连结元件。为了程式化磁性随机存取记忆胞，电流穿过接近记忆胞的两个位元线以及两个字元线而被驱动。因此磁性随机存取记忆胞具有一高磁转变与低程式化电流。本发明能够处理传统磁性随机存取记忆体元件的高磁场－强磁性转变点问题。而且本发明与传统磁性随机存取记忆体构造比较，可大幅降低习知磁性随机存取记忆胞元件使用的程式化电流。另外本发明在没有增加转变电流之下，能改良传统的磁性随机存取记忆体元件的再生性或稳定性。

Description

磁性随机存取记忆胞、阵列及程式化此种记忆胞的方法

技术领域

本发明是有关于一种计算机储存器，且特别是有关于一种具有高磁转变且低程式化电流的垂直磁性随机存取记忆体(magnetic random accessmemory，MRAM)。

背景技术

磁性随机存取记忆体记忆体(即内存，存储器，存储介质，以下均称为记忆体)为一种非挥发性记忆体，用于长期数据储存。磁性随机存取记忆体元件的读写功能，速度比一般长期储存元件较快，例如与硬式磁盘驱动器比较。此外，磁性随机存取记忆体元件比其它一般长期储存元件更精巧且低能耗。

一种磁性随机存取记忆胞主要为磁性隧道连结(magnetic tunneljunction，MTJ)元件，它有两个强磁性层，藉由一薄绝缘阻障隧道将两个强磁性层分开。传导电子的一旋转-极化隧道介于两个强磁性层之间，主要为两个强磁性层的磁力矩方向定位，作为一磁性隧道连结的抗磁场。一典型磁性随机存取记忆体元件包括一记忆胞阵列。字元线沿着记忆胞的列，以及位元线沿着记忆胞的行。每一记忆胞位于每一字元线与位元线的交叉点，以磁化的方向储存位数据。在任何时间，每一记忆胞的磁化方向，为两个稳定方向的其中之一。这些两个稳定方向，为平行以及逆平行，代表逻辑值“1”与“0”。对在记忆胞交叉的一字元线以及一位元线提供电流，藉由两个垂直磁场改变记忆胞的磁化方向，当磁场合并时，将记忆胞的磁化方向从平行转到逆平行，或由逆平行转到平行。

然而，在极小元件区，由于磁性随机存取记忆体的超顺磁-强磁性转换点，使记忆胞的转换并非经常稳定。有时，合并的磁场可能无法将一记忆胞从平行转到逆平行，或逆平行转到平行。因此，需要在没有增加转换电流之下，改良磁性随机存取记忆体记忆胞元件的再生性或稳定性。

为了解决磁性随机存取记忆胞存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。

有鉴于上述现有的磁性随机存取记忆胞存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理运用，积极加以研究创新，以期创设一种新的磁性随机存取记忆胞、阵列及程式化此种记忆胞的方法，能够改进一般现有的磁性随机存取记忆体记忆胞元件，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的磁性随机存取记忆胞存在的缺陷，而提供一种新型结构的磁性随机存取记忆胞，所要解决的技术问题是使其在没有增加转变电流之下，改良磁性随机存取记忆体元件的再生性或稳定性，以解决现有习知的磁性随机存取记忆体的高磁场-强磁性转换点，使记忆胞的转换并非经常稳定，从而更加适于实用。

本发明另一目的在于，提供一种磁性随机存取记忆胞程式化的方法，所要解决的技术问题是使其可大幅降低现有习知的磁性随机存取记忆胞元件使用的程式化电流，从而更加适于实用。

本发明的再一目的在于，提供一种磁性随机存取记忆体阵列，所要解决的技术问题是使其在极小元件区的磁性随机存取记忆体具有高磁性稳定，以解决现有习知的磁性随机存取记忆体元件的高磁场-强磁性转变点问题。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种磁性随机存取记忆(MRAM)胞，其包括：一第一字元线；一第一位元线，垂直于该第一字元线；以及一磁性隧道连结(MTJ)元件，位于该第一字元线与该第一位元线的一交叉处，该磁性隧道连结元件具有一垂直磁场方向。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的磁性随机存取记忆胞，其中所述的磁性隧道连结元件包括一自由层以及一稍层，该自由层比该稍层更接近于该第一位元线。

前述的磁性随机存取记忆胞，其更包括一二极管位于该磁性隧道连结元件之下，该二极管与该第一字元线及该稍层有电的交流。

前述的磁性随机存取记忆胞，其中所述的一第二位元线与一第三位元线接近并位于该第一位元线的各一侧边，以及一第二字元线与一第三字元线接近并位于该第一字位的各一侧边。

前述的磁性随机存取记忆胞，其是借着驱动电流穿过该第二位元线与该第三位元线，以及该第二字元线与该第三字元线而被程式化。

前述的磁性随机存取记忆胞，其中穿过该第二位元线的电流与穿过该第三位元线的电流是在一相对方向。

前述的磁性随机存取记忆胞，其中穿过该第二字元线的电流与穿过该第三字元线的电流是在一相对方向。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种磁性随机存取记忆胞程式化的方法，适于具有顺着一垂直磁性方向的一磁性隧道连结元件的一磁性随机存取记忆胞，其包括以下步骤：驱动在一第一方向穿过一第一位元线的电流，该第一位元线接近于一第二位元线，该第二位元线与该磁性随机存取记忆胞有电的交流；以及驱动在一第二方向穿过一第三位元线的电流，该第三位元线接近于该第二位元线，以及在相对于该第一位元线的一边，其中该第二方向相对于该第一方向。其中该磁性随机存取记忆胞被程式化成为具有一第一磁力方向。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的磁性随机存取记忆胞程式化的方法，其中所述的其中驱动在该第二方向穿过该第一位元线的电流以及驱动在该第一方向穿过该第三位元线的电流，以程式化该磁性随机存取记忆胞成为具有一第二磁化方向。

前述的磁性随机存取记忆胞程式化的方法，其更包括：驱动在一第三方向穿过一第一字元线的电流，该第一字元线接近于一第二字元线，该第二字元线与该磁性随机存取记忆胞有电的交流；以及驱动在一第四方向穿过一第三字元线的电流，该第三字元线接近于该第二字元线，以及相对于该第一字元线的一边，其中该第四方向与该第一方向相对，其中该磁性随机存取记忆胞被程式化成为具有该第一磁化方向。

前述的磁性随机存取记忆胞程式化的方法，其更包括驱动在该第四方向穿过该第一字元线的电流以及驱动在该第三方向穿过该第三字元线的电流，以程式化该磁性随机存取记忆胞成为具有该第二磁化方向。

前述的磁性随机存取记忆胞程式化的方法，其中所述的磁性随机存取记忆胞是借着驱动穿过该第二位元线的电流与驱动穿过该第二字元线的电流而被读取。

前述的磁性随机存取记忆胞程式化的方法，其中流过该第一位元线的该第一方向的电流产生具有一第一内平面分力的一磁性场，以及其中流过该第二位元线的第二方向的电流产生具有一第二内平面分力的一磁性场。

前述的磁性随机存取记忆胞程式化的方法，其中所述的第一内平面分力抵消该第二内平面分力。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种磁性随机存取记忆体阵列，其包括：平行的多数个字元线与平行的多数个位元线，每一该些位元线垂直于该些字元线；多数个磁性隧道连结元件，每一该些磁性隧道连结元件位于一字元线与一位元线的一交叉处，其中每一该些磁性隧道连结元件具有一垂直磁性方向。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的磁性随机存取记忆体阵列，其中每一该些磁性隧道连结元件包括一自由层与一稍层，该自由层比该稍层更接近于该些位元线。

前述的磁性随机存取记忆体阵列，其中每一该些磁性隧道连结元件与位于其下方的一二极管有电的交流，该二极管与一字元线以及每一该些磁性隧道连结元件的该稍层有电的交流。

前述的磁性随机存取记忆体阵列，其中每一该些磁性隧道连结元件是藉由驱动穿过两接近的位元线与两接近的字元线的电流而被程式化。

前述的磁性随机存取记忆体阵列，其中被驱动的电流以相对方向穿过接近的该些位元线。

前述的磁性随机存取记忆体阵列，其中被驱动的电流以相对方向穿过该些接近的字元线。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下：

大体上说，本发明较佳实施例，提出一种使用垂直磁性方向磁性隧道连结元件的磁性随机存取记忆胞，来达到前述需求。这一实例中，以一种磁性随机存取记忆胞来说明。一种磁性随机存取记忆胞，包括：一第一字元线，第一位元线垂直于第一字元线，以及具有一垂直磁性方向的一磁性隧道连结元件，位于第一字元线与第一位元线的交叉处。磁性隧道连结元件包括一自由层以及一稍层，自由层比稍层更接近第一位元线。还可以选择于磁性隧道连结元件之下配置一二极管，这个二极管与第一字元线及稍层有电的交流。一第二位元线与一第三位元线接近并位于第一位元线的各一侧边，以及第二字元线与一第三字元线接近并位于第一字元线的各一侧边。为程式化磁性随机存取记忆胞，电流可被驱动而穿过第二位元线与第三位元线，以及第二字元线与第三字元线。在本实施例中，其中穿过位元线的电流以及穿过字元线的电流是在一相对方向。

依照本发明的较佳实施例，说明磁性随机存取记忆胞程式化的方法，此磁性随机存取记忆胞具有一垂直磁性方向的磁性隧道连结元件。在第一方向驱动穿过第一位元线的电流，其中第一位元线接近于一第二位元线，且此第二位元线与被程式化的磁性随机存取记忆胞有电的交流。同样的，在第二方向驱动穿过第三位元线的电流，其中第三位元线接近于第二位元线，以及在相对于第一位元线的一边，其中第二方向相对于第一方向。在这样的情况之下，磁性随机存取记忆胞被程式化成为具有第一磁化方向，可以表示一个“1”或“0”。程式化磁性随机存取记忆胞成为具有一第二磁化方向，其中驱动在第二方向穿过第一位元线的电流，以及在第一方向穿过第三位元线的电流。除这些位元线之外，驱动在第三方向穿过第一字元线，第一字元线接近于第二字元线，第二字元线与磁性随机存取记忆胞有电的交流。驱动在一第四方向穿过第三字元线的电流，第三字元线接近于第二字元线，以及相对于第一字元线的一边。如前述，以程式化磁性随机存取记忆胞成为具有第二磁化方向，且驱动在第四方向穿过第一字元线的电流，以及驱动在第三方向穿过第三字元线的电流。磁性随机存取记忆胞是借着驱动穿过第二位元线的电流与驱动穿过第二字元线的电流而被读取。

本发明的另一较佳实例更公开揭露一种磁性随机存取记忆体阵列。这种磁性随机存取记忆体阵列包括数个平行字元线与数个平行位元线，每一位元线垂直于字元线。具有一垂直磁性方向的一磁性隧道连结元件位于一字元线与位元线的一交叉处。如前述，每一磁性隧道连结元件包括自由层与稍层，自由层较稍层靠近字元线。每一磁性隧道连结元件与位于磁性隧道连结元件下方一二极管有电的交流，每一二极管与一字元线以及磁性隧道连结元件的稍层有电的交流。

经由上述可知，本发明是关于一种磁性随机存取记忆胞、阵列及程式化此种记忆胞的方法。该磁性随机存取记忆胞，包含一第一字元线与垂直于第一字元线的一第一位元线。配置于第一字元线与第一位元线的一交叉处的是具有一垂直磁场方向的一磁性隧道连结元件。为了程式化磁性随机存取记忆胞，电流穿过接近记忆胞的两个位元线以及两个字元线而被驱动。因此，磁性随机存取记忆胞具有一高磁转变与低程式化电流。

借由上述技术方案，本发明磁性随机存取记忆胞、阵列及程式化此种记忆胞的方法至少具有下列优点：本发明能够处理传统磁性随机存取记忆体元件的高磁场-强磁性(superparamagnetic-ferromagnetic)转变点问题。当使用本发明时，由于垂直型非等性能量控制，在极小元件区的高磁场-强磁性转变点问题不再发生。而且，本发明与传统磁性随机存取记忆体构造比较，可大幅降低现有习知的磁性随机存取记忆胞元件使用的程式化电流。另外，本发明在没有增加转变电流之下，能够改良传统的磁性随机存取记忆体元件的再生性或稳定性。

综上所述，本发明的磁性随机存取记忆胞，其在没有增加转变电流之下，可以改良磁性随机存取记忆体元件的再生性或稳定性，能够解决现有习知的磁性随机存取记忆体的高磁场-强磁性转换点，使记忆胞的转换并非经常稳定。本发明的磁性随机存取记忆胞程式化的方法，可大幅降低现有习知的磁性随机存取记忆胞元件使用的程式化电流。本发明的磁性随机存取记忆体阵列，在极小元件区的磁性随机存取记忆体具有高磁性稳定，可以解决现有习知的磁性随机存取记忆体元件的高磁场-强磁性转变点问题。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品及方法中未见有类似的结构设计及方法公开发表或使用而确属创新，其不论在产品结构、方法或功能上皆有较大改进，在技术上有较大进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有技术具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是依照本发明一较佳实施例的单位胞图。

图2是依照本发明一较佳实施例的一具有MOS控制的一部份磁性随机存取记忆胞阵列图。

图3是依照本发明一较佳实施例的具有二极管控制的磁性随机存取记忆胞阵列图。

图4A是磁性随机存取记忆胞阵列的概要图，说明程式化单位胞以储存一逻辑值0的方法。

图4B是磁性随机存取记忆胞阵列的概要图，说明程式化单位胞以储存一逻辑值1的方法。

图5是磁性随机存取记忆胞阵列的概要图，说明读取单位胞的方法。

图6是相邻单位胞图，说明当单位胞程式化时，磁场的分布。

图7是依照本发明一较佳实施例的一垂直磁性随机存取记忆体的特性曲线说明图。

图8是依照本发明一较佳实施例的形成非等向性诱导稳定曲线图。

图9A是依照本发明一较佳实施例的一垂直假自旋值MTJ图。

图9B是依照本发明一较佳实施例的一垂直自旋值MTJ图。

图10是依照本发明一较佳实施例的磁性随机存取记忆胞的性质示范图。

图11A是依照本发明一较佳实施例的一具有磁遮罩磁性随机存取记忆体阵列的三维图。

图11B是依照本发明一较佳实施例的一具有磁遮罩磁性随机存取记忆体阵列的侧视图。

100：单位记忆胞                   100′：程式化单位记忆胞

102：金属区                       104：金属间隔物

106：MT J元件                     108：自由层

110、912：稍层                    112、906：隔离区

200、300：磁性随机存取记忆胞阵列  202、202′、202″：位元线

204：字元线(字符线)               206：晶体管(电晶体)图

302：二极管                       600、602、604：磁场

700：曲线                         800：曲线图

900：垂直假自旋磁性隧道连结      902：垂直自旋磁性隧道连结

904：软磁铁                      908：硬磁铁

910：稍磁                        1100：磁性随机存取记忆体阵列

1102：磁遮罩

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及其较佳实施例，对依据本发明提出的磁性随机存取记忆胞、阵列及程式化此种记忆胞的方法其具体的实施方式、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。

本发明是一种磁性随机存取记忆体创新的制造方法，有高磁转变稳定且低程式化电流的特性。本发明一较佳实施例使用有一垂直磁场方向的磁性隧道连结元件。因此，本发明在极小元件区域有高稳定磁性。此外，使用多位元线来程式化，本发明的较佳实施例，相较于传统的磁性随机存取记忆体元件大幅降低使用的电流。在下列的描述，很多特殊的细节是为了能彻底了解本发明。显而易见的，对熟悉这些技术的人，在没有部份或全部的详细描述之下，仍然可以实作本发明。另一方面，为了不要对本发明产生不必要的混淆，习知的步骤不加以说明。

请参阅图1所示，是依照本发明一较佳实施例的单位胞100的一种示意图。本实施例中该单位胞100，包括置于两金属间隔物104中间的一磁性隧道连结元件106以及两-金属区102。磁性隧道连结元件106包含由一隔离区112分隔的自由层108与稍层110。如接下来图2所示，多个单位胞100形成磁性随机存取记忆体的记忆胞，并且使用多个位元线与字元线存取单位胞100。

接着请参阅图2所示，是依照本发明较佳实施例，有MOS控制的一磁性随机存取记忆胞阵列200的一部分。磁性随机存取记忆胞阵列200包括藉由位元线202与字元线204结合在一起的多个单位胞100。晶体管示意图206说明在磁性随机存取记忆胞阵列200中形成的记忆胞。除了一MOS控制记忆胞阵列之外，本发明的较佳实施例也能用来生产二极管控制记忆胞阵列，其说明参考图3。

请参阅图3所示，是本发明的较佳实施例，有二极管控制的一磁性随机存取记忆胞阵列300。如前所述，磁性随机存取记忆胞阵列300包括多数单位胞100，经由多数个位元线202以及多数个字元线204结合在一起。不过，磁性随机存取记忆胞阵列300包括数个二极管302，置于相关的单位胞100以及字位204之间。

本发明的较佳实施例，如图2以及图3所示，使用具有垂直磁性方位磁性隧道连结元件，使在极小元件区的磁性随机存取记忆体具有高磁性稳定态。有用的是，本发明较佳实施例能够处理传统磁性随机存取记忆体元件的高磁场-强磁性转变点问题。当使用本发明时，由于垂直型非等性能量控制，在极小元件区的高磁场-强磁性转变点问题不再发生。因此，在本发明的较佳实例中，基础的交换联结长度决定强磁性尺寸的限制，大约是nm。

请参阅图4A所示，是磁性随机存取记忆胞阵列200，说明程式化单位胞100′，以储存一逻辑值0的方法。这单位胞100′是由位元线B2与字元线W2结合。如图4A所示，位元线B1与B3邻接位元线B2，位元线B2与单位胞100′接合。除此之外，字元线W1与W3邻接字元线W2，字元线W2也与单位胞100′接合。当程式化单位胞100′以储存一逻辑值0时，位元线B1与B3通电，电流方向如图4A所示，两个电流方向彼此相对。除此之外，字元线W1与W3通电，电流方向如图4A所示，两个电流方向彼此相对。

请参阅图4B所示，是磁性随机存取记忆胞阵列200的概要图，说明程式化单位胞100′，以储存一逻辑值1的方法。程序单位胞100′以储存一逻辑值1时，将位元线B1与B3通电，电流方向如图4B所示，两个电流方向彼此相对，除此之外，字元线W1与W3通电，电流方向如图4A所示，两个电流方向彼此相对。特别注意，程式化一逻辑值1时，位元线202与字元线204的电流方向，与程式化一逻辑值0时，位元线202与字元线204的电流方向彼此相对。

请参阅图5所示，是磁性随机存取记忆胞阵列200的概要图，说明读取单位胞100′的方法。当读取单位胞100′时，位元线B2与字元线W2通电，两者与单位胞100′连结在一起。如图5所示，当读一单位胞，不需要多个的位元线。然而，一般字元线W2较位元线B2使用较高电压。

请参阅图6所示，是一邻接单位胞100的图，说明当程式化单位胞100′时，磁场的分配。为程式化单位胞100′，电流以相对方向穿过位元线202′以及位元线202″，如图6所示。因此，电流穿过位元线202′以及202″产生相反的磁场。也就是，电流穿过位元线202′产生磁场602与电流穿过位元线202″产生磁场604。因此，磁场602与磁场604的内平面场(in-plane field)元件彼此互抵。因此，内平面场噪音不干扰单位胞100′的记忆胞状态。另外，磁场602与磁场604的外平面场(out-plane field)元件，由于磁场的建构，产生双倍的磁场。因此，为维持磁场强度，将位元线的程式化电流减半。

请参阅图7所示，是依照本发明一较佳实施例的一种垂直磁性随机存取记忆体的特性曲线700。稍层，例如是底下的层，有一在磁场循环下不会改变的固定磁矩。自由层的磁矩由磁场所控制，并有一迟滞性质(hysteresisproperty)。由于自旋从属穿隧效应(spin-dependent tunneling effect)，在稍层与自由层之间，有不同相对力矩方向，表现出不同的穿隧阻力(tunneling resistance)，因此，有不同的输出电压或输出电流。

请参阅图8所示，是依照本发明一较佳实施例的一种非等向性诱发稳定形曲线图800。如曲线图800，当强磁性层的展弦比(aspect ratio)增加，在强磁性层的消磁性场降低，因此，强磁性层有一更稳定磁性对准。方程式(1)阐明消磁性场：

$\left(1\right)---H_d=\frac{{\mathrm{NM}}_s}{\mathrm{\μ}}$

N是消磁系数(demagnetization coefficient)，Ms是自由层的磁化作用。

例如：N＝10^-1(杆形的展弦比～2.5)，Ms＝1000G，以及m＝20，则Hd＝5Oe，比50Oe的一Hc还要更小。

请参阅图9A与图9B所示，说明磁性隧道连结元件。图9A是依照本发明一较佳实施例的一种垂直假自旋阀(spin-valve)磁性隧道连结900示意图。垂直假自旋阀磁性隧道连结900，包括一软磁铁(soft-magnet)904，也被当作一自由层，以及一硬磁铁铁(hard-magnet)908。此外，一绝缘体906形成于软磁铁904及硬磁铁铁908之间。图9B是依照本发明较佳一实施例的一种垂直自旋阀磁性隧道连结902。垂直自旋阀磁性隧道连结902，包括一软磁铁904，一稍磁铁910，以及一稍层912，其中软磁铁904也被当作一自由层。一绝缘体906形成于软磁铁904以及稍磁铁910之间。

垂直假自旋阀磁性隧道连结900的自由层904与垂直自旋阀磁性隧道连结902可以是一稀土族-3d(rare-earth-3d)过渡化合物，例如：GdFe、CoPt、FePt、偏向z结晶的厚Co、极薄(接近二维，一般比1nm更薄)的Fe、Co以及Ni与它们的合金，例如是CoFe。

垂直假自旋阀磁性隧道连结900的绝缘体906以及垂直自旋阀磁性隧道连结902可以是一薄氧化物或氮化物，例如是Al₂O₃、AlN、AlON、Ga₂O₃、HfO₂、STO等等。其厚度小于3nm。垂直自旋阀磁性隧道连结902的稍层912可以是合成反铁磁性复合层(SAF)，例如是(自由层/Ru(0.7～0.8nm)/自由层)等，或有垂直定位磁化的反铁磁性物质，例如是IrMn、FeMn、PtMn等，或顽磁化(remnant magnet)，例如是SmCo等。

使用本发明一较佳实施例，由于金属隔离物(metal spacer)的厚度较小，以及一高渗透性金属能简单地转换自由层904的磁力矩，使写入的电流更小。降低写入的电流主要藉由沉积技术，并非经由照相技术。金属隔离物可以是非磁性(non-magnetic)传导金属，例如是Ta、Al、W、Cu、Pt等，也能同时形成磁性隧道连结的缓冲或顶盖层。

写入磁可以是一高导磁合金(permalloy)或高磁化合金(supermalloy)的软磁铁，例如是NiFe、NiFeMo、NiFeCu、NiFeCr、NiFeCuMo或Fe-TM-B体系(TM＝IV～VIII族过渡金属)，如Fe-Co-Ni-Zr-Ta-B或or Fe-(Al、Ga)-(P、C、B、Si)或Fe-(Co、Ni)-Zr-B或Fe-(Co、Ni)-(Zr、Nb)-B或Fe-(Co、Ni)-(Mo、W)-B或Fe-Si-B或Fe-Si-B-Nb-Cu或Fe-Si-B-Nb或Fe-Al-Ga-P-C-B-Si或Fe-Co-Si-B-Cu-Nb或Fe-Co-Ni-S、Co-Nb-Zr、Fe-Zr-Nb-B或Hiper50或sendust或FeTaC或Fe-Ta-N-C等。磁合金有1～0.001Oe的高压性(coercivity)以及1000～1000,000的渗透性(permeaility)。

请参阅图10所示，是依照本发明的一较佳实施例的磁性随机存取记忆胞的典型的特性。方程式(2)描述图10的关系：

$\left(2\right)---H=\frac{2\mathrm{\π}}{25}\×\frac{S(I_x+I_y)}{{{(\frac{d}{2}+t)}^2+S}^2}\×X\×$

$(\frac{{(r+\frac{d}{2})}^2}{{(r+\frac{d}{2})}^2+\frac{a^2+b^2}{4}}-\frac{{(r-\frac{d}{2})}^2}{{(r-\frac{d}{2})}^2+\frac{a^2+b^2}{4}})\left(\mathrm{Oe}\right)$

例如，当-金属(＝10,000)有4000厚度以及0.1m的尺寸，在记忆胞间的隔离物(spacer)为0.1m，r＝0.3m，t＝0.4m，以及自由层的高压场是50Oe，则在一列需要的电流是8A，总需求电流(x4)是32A。当程式化时，金属线的电流密度为2×104A/cm²。根据-金属值，本发明一较佳实施例与传统磁性随机存取记忆体构造比较，改良后电流密度降低约为4的数量级(order of magnitude)。

请参阅图11A所示，是依照本发明一较佳实施例的具有一磁遮罩(shielding magnet)1102的一磁性随机存取记忆体阵列1100的三维示意图。请参阅图11B所示，是本发明一较佳实施例的具有一磁遮罩(shieldingmagnet)1102的一磁性随机存取记忆体阵列1100的一种侧视图。当程式化单位胞时，该磁遮罩1102防止来自环境的磁噪音，以及缓冲-金属的磁通量(magnetic flux)。磁遮罩1102是一磁性的陶瓷物质(magnetic ceramicmaterial)，例如是(MnO)(Fe₂O₃)、(ZnO)(Fe₂O₃)、(MnO)(ZnO)(Fe₂O₃)等。磁性的陶瓷物质是一绝缘体矩阵(insulator matrix)，电阻率一般是在10¹³W-cm的范围。这些物质的渗透性范围在数千个之间。例如，若是(MnO)₃₁(ZnO)₁₁(Fe₂O₃)₅₈，当低于200℃时，m的范围为1000～2000。

在制造期间，磁性的陶瓷物质一直在添加氧原子的O₂环绕下直接沉积，然后完成一回火制程。在之后，使用一水热法(hydrothermal method)混合Zn、Mn与Fe的硝酸盐溶液，在之后，调好碱浓度之后以150℃加热0.5～16小时，再以氨水完成沉淀。最后，使用一柠檬酸前置法，柠檬酸加入Fe、Mn或Zn的氨水，由NH₄OH调整pH值。加入乙二醇并加热至80℃之后，酯化产生固体。在350℃时获得结晶质MnFe₂O₄。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (20)

1、一种磁性随机存取记忆(MRAM)胞，其特征在于其包括：

一第一字元线；

一第一位元线，垂直于该第一字元线；以及

一磁性隧道连结(MTJ)元件，位于该第一字元线与该第一位元线的一交叉处，该磁性隧道连结元件具有一垂直磁场方向。

2、根据权利要求1所述的磁性随机存取记忆胞，其特征在于其中所述的磁性隧道连结元件包括一自由层以及一稍层，该自由层比该稍层更接近于该第一位元线。

3、根据权利要求2所述的磁性随机存取记忆胞，其特征在于其更包括一二极管位于该磁性隧道连结元件之下，该二极管与该第一字元线及该稍层有电的交流。

4、根据权利要求1所述的磁性随机存取记忆胞，其特征在于其中所述的一第二位元线与一第三位元线接近并位于该第一位元线的各一侧边，以及一第二字元线与一第三字元线接近并位于该第一字位的各一侧边。

5、根据权利要求4所述的磁性随机存取记忆胞，其特征在于其是借着驱动电流穿过该第二位元线与该第三位元线，以及该第二字元线与该第三字元线而被程式化。

6、根据权利要求5所述的磁性随机存取记忆胞，其特征在于其中穿过该第二位元线的电流与穿过该第三位元线的电流是在一相对方向。

7、根据权利要求6所述的磁性随机存取记忆胞，其特征在于其中穿过该第二字元线的电流与穿过该第三字元线的电流是在一相对方向。

8、一种磁性随机存取记忆胞程式化的方法，适于具有顺着一垂直磁性方向的一磁性隧道连结元件的一磁性随机存取记忆胞，其特征在于其包括以下步骤：

驱动在一第一方向穿过一第一位元线的电流，该第一位元线接近于一第二位元线，该第二位元线与该磁性随机存取记忆胞有电的交流；以及

驱动在一第二方向穿过一第三位元线的电流，该第三位元线接近于该第二位元线，以及在相对于该第一位元线的一边，其中该第二方向相对于该第一方向；

其中该磁性随机存取记忆胞被程式化成为具有一第一磁力方向。

9、根据权利要求8所述的磁性随机存取记忆胞程式化的方法，其特征在于其中驱动在该第二方向穿过该第一位元线的电流以及驱动在该第一方向穿过该第三位元线的电流，以程式化该磁性随机存取记忆胞成为具有一第二磁化方向。

10、根据权利要求8所述的磁性随机存取记忆胞程式化的方法，其特征在于其更包括：

驱动在一第三方向穿过一第一字元线的电流，该第一字元线接近于一第二字元线，该第二字元线与该磁性随机存取记忆胞有电的交流；以及

驱动在一第四方向穿过一第三字元线的电流，该第三字元线接近于该第二字元线，以及相对于该第一字元线的一边，其中该第四方向与该第一方向相对，

其中该磁性随机存取记忆胞被程式化成为具有该第一磁化方向。

11、根据权利要求10所述的磁性随机存取记忆胞程式化的方法，其特征在于其更包括驱动在该第四方向穿过该第一字元线的电流以及驱动在该第三方向穿过该第三字元线的电流，以程式化该磁性随机存取记忆胞成为具有该第二磁化方向。

12、根据权利要求8所述的磁性随机存取记忆胞程式化的方法，其特征在于其中所述的磁性随机存取记忆胞是借着驱动穿过该第二位元线的电流与驱动穿过该第二字元线的电流而被读取。

13、根据权利要求8所述的磁性随机存取记忆胞程式化的方法，其特征在于其中流过该第一位元线的该第一方向的电流产生具有一第一内平面分力的一磁性场，以及其中流过该第二位元线的第二方向的电流产生具有一第二内平面分力的一磁性场。

14、根据权利要求13所述的磁性随机存取记忆胞程式化的方法，其特征在于其中所述的第一内平面分力抵消该第二内平面分力。

15、一种磁性随机存取记忆体阵列，其特征在于其包括：

平行的多数个字元线与平行的多数个位元线，每一该些位元线垂直于该些字元线；

多数个磁性隧道连结元件，每一该些磁性隧道连结元件位于一字元线与一位元线的一交叉处，其中每一该些磁性隧道连结元件具有一垂直磁性方向。

16、根据权利要求15所述的磁性随机存取记忆体阵列，其特征在于其中每一该些磁性隧道连结元件包括一自由层与一稍层，该自由层比该稍层更接近于该些位元线。

17、根据权利要求15所述的磁性随机存取记忆体阵列，其特征在于其中每一该些磁性隧道连结元件与位于其下方的一二极管有电的交流，该二极管与一字元线以及每一该些磁性隧道连结元件的该稍层有电的交流。

18、根据权利要求15所述的磁性随机存取记忆体阵列，其特征在于其中每一该些磁性隧道连结元件是藉由驱动穿过两接近的位元线与两接近的字元线的电流而被程式化。

19、根据权利要求17所述的磁性随机存取记忆体阵列，其特征在于其中被驱动的电流以相对方向穿过接近的该些位元线。

20、根据权利要求18所述的磁性随机存取记忆体阵列，其特征在于其中被驱动的电流以相对方向穿过该些接近的字元线。

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