200901192 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [001 ]本發明係關於—種栓扣式(T〇gg]e)磁性穿隧接面(Mtj) 元件的巨集模型，能夠應用在電路設計，可以模擬栓扣式MTJ元 件的寫入與讀出的動作。 【先前技術】 [002] 磁性隨機仔取記憶體（Magnetic Random Access Memory ’ MRAM)屬於非揮發性記憶體，是以電阻特性儲存記錄 資訊，具有非揮發性、高密集度、高讀寫速度、抗輻射線等等優 點。磁性隨機仔取記憶體的主要記憶單元係為製作在寫入位元線 及寫入字元線之間的磁性記憶元件，為多層磁性金屬材料的堆疊 結構，又稱為磁性穿遂接面(MTJ)元件，其結構是由軟鐵磁材料 (Soft Magnetic Layer)層 '穿隧能障絕緣層(Tunnei Barrier layer)、 硬鐵磁材料(Hard Magnetic Layer)層與非磁性導電層(Nonmagnetic conductor)所堆疊組成。 [003] 栓扣式(Toggle)磁性穿隧接面元件，其具有寬廣的操作 區間及高熱穩定性的優點，因此非常適合於嵌入式系統的應用。 [〇〇4]MTJ元件是由相鄰於穿隧能障絕緣層的兩層鐵磁材料 之磁矩組態呈平行或反平行排列’以決定記憶”i，，或，，〇”的狀，能。 寫入資料是由到寫入位元線(Write Bit Line, WBL)及寫入字元線 (Wnte Word Line, WWL)的交集選擇，藉由流通在寫入位元線及寫 入字元線的電流所產生的磁場來改變記憶層磁性材料之磁化方 向’使得其電阻值改變以達到寫入資料之目的。 7 200901192 [005]检扣式磁性穿隧接面元件夕曲卫丨 午之典型之實施例如『第1A圖』 所示’係由反鐵磁層10、形成於及锔 夂鐵磁層10之上之固定層20、 形成於固定層20之上之穿隧能障絕綠 巴緣層、形成於穿隧能障絕 緣層30之上之自由層40。固定層％ 〜曰與自由層4〇皆為合成式反 l«(Synthet1C Anti-Ferromagnetic)^^g c 4〇 上電極Μ，反鐵磁層K)之下形成有下電極幻。上電極Μ與下電 極52用以與金屬導線連接形成讀取眘 人R取貝竹的路禋c在上電極51上 方與下電極52下方分別是^位元線恤及寫人字元線 WWL ’如『^B圖』所示’使得通嫣人電流時可產生磁場。 上電極51又與讀出位元線rbl連接。 [006]反鐵磁層.10係由反鐵磁㈣賴成，糊來說可選用 PtMn或IrMn材料。形成於反鐵磁層1〇 ⑼ 層以上之鐵磁層堆疊，『第1A圖』所示即為三^構的合成 式反鐵磁固定層’其結構為鐵磁_、非贿金屬、以及鐵磁材 料依序堆疊而成’並使兩綱層的磁矩方向敲平行排列，舉例 錢 ’ ^ CaFe/Ru/CoFe ' NlFe/Ru/NlFe 或 c〇FeB/Ru,/c〇FeB。 形成於固定層20之上之穿隧能障絕緣層3Q之材料，舉例來說， 可選用AlOx或MgO。形成於穿隧能障絕緣層3〇之自由層4〇可 為一層以上之鐵磁材料堆疊，鐵磁層材料可選用NiFe、c〇Fe、 CoFeB。 [007]在『第1A圖』中，固定層2〇包括三層結構，其具有 由鐵磁材料形成的磁性層2卜23與由非磁性金屬形成的中間層 22。此外，自由層4〇也包括三層結構，其具有由鐵磁材料形成的 8 200901192 磁性層41 ' 43及由非磁性金屬形成的中間層42。自由層4〇中的 磁性層41、43各自具有磁矩6卜62，其藉由中間層42的搞合保 持反平行排列。固定層2〇中的磁性層21、23也保持反平行排列。 自由層40的磁性層4卜43之磁矩方向，在一施加磁場的情況下 可自由旋轉。固定層20的磁性層2卜23之磁化方向是不會隨施 加磁場而轉動，其作用為參考層。 陶]寫人倾時…般所使㈣拉為兩條電流線：寫入位 續（BkLlne)及寫人字元線（WnteW⑽—的感應磁場所 父集選擇到的記憶單元，藉由改變自由層明之磁化方向，來更改 =阻值^棘記憶㈣時，t提供輪“選剩的磁性記 憶單兀，讀取其電阻值以決定資料之數位值c_ _]因為自由層40的磁性層4卜43之間的反平行輕合作 使得T〇ggl_元制寫續倾___入方式成 為如，苐2A圖』與『第2B圖所 p . ^ 』汁不稱之為先進先出模式，亦 即先V通之電流先截止，例如在『 、、 牧罘2A 0』中，寫入字元線電 /，，L IW先導通，之後寫入位元線 ^. 丨LIB才被V通，而寫入字元線 电級IW先被截止後’寫入位元
R φ§11,, 疋、、泉毛流®才被戴止。在『第2B 圖』中則相反。Toggle MTJ元件的宣λ PA广1， a 〕舄入如作區71、73則如圖所示。 备舄入予元線電流IW先被導通時， 讲扣d 守其磁性層41、43的磁矩61、 磁矩62以順時針方向72旋轉， a#, 田舄入位兀線電流IB先被導通 4其磁性層41、43的磁矩61、 Γη.π_ 兹矩62以逆時針方向74旋轉。 [010]由於時序導引的寫入 ^ ΜΤΤ λ ^ ζ- 式，所以此夠正確描述Toggle MTJ舄入動作的電路模型，對於命 、电路设什的模擬驗證的正石霍性有 200901192 重要的幫助。 [發明内容】 [〇11]本發明主要目的揭露—種磁性穿隨 :’以正確模擬拴扣式汀响磁性穿隧:::電 作的電卿，糊崎鳴__==項出動 -，丄： 擬一栓扣式磁性穿隨接面元件之 η例.#雜穿鱗面元件至少包括有— 層、-穿隧能障絕緣層* — ㈣η ° λ式反鐵磁自由 隧能障⑽/、d藉由相鄰於穿 表現出電阻值的高低，並中甘〜 χ ’仃Θ订棑列來 六電路…、…以財轉換電路、狀態表 、 儲存電路'雜减_計轉up 性換擬聪。其巾轉換電路 ^ $1#®- · - ^ L兩八毛机產生的磁場轉換為等 電路用以表示相鄰於穿隧能障絕緣層的自由】 ^之^靜m料之辟電路㈣麵細性穿隨接 兀所儲存之資料；磁矩組態電壓計算办 接面元件操作時，相鄰於_^衣不。細土牙 排列關係；特性模擬電路用財亍节磁^的兩層鐵磁層的磁矩 流特性。 用乂表不邊磁性穿隧接面元件之電壓電 ^本麵之實施例中售明提出栓扣式 =面师)元件的巨集模型能夠應用在電路設計 的一4舄入與㈣的動作。此模型能夠描述T〇ggle MI7元件 的貝料寫入方式必需依照時序導— 一 的電阻值會依據寫人的狀態(:寸自’肖人後顧70件 ντ仃或反千仃）自動切換並記憶，而且 200901192 能夠模擬磁阻比(MR%)隨讀取偏壓增加而了降的效應卿 dependent MR Ratl0)。此模型中的丁〇ggie黯元件參數，如寫入 操倾翻觸、寫人位蝴概)與寫人字元線(wwl)的導線電 阻值及其電流產生磁場效轉都可由實測值萃取。 [〇14]以上之關於本發明内容之說明及以下之實施方式之說 明係用以示範與_本糾之精神與原理，並域供本發明之專 利申請範圍更進一步之解釋。 【實施方式】 π [〇1取在下實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優 點’其内容足以使任何熟f相關㈣者了解本發明之技術内容並 據以實施’且根據本朗書所揭露之喊、申請翻細及圖式， 的熟習彳目驗藝者可輕純轉本發明相社目的及優點。 以卜之實施例係進-步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點 限制本發明之範嗨。 [一]考第J圖』’其說明栓扣式(Toggle)磁性穿隧接面 (MTJ)元件的時序寫入模式。 [017]在㈣TG時，磁矩61與磁矩62分別對齊了。蛛節 勺易軸方向’相對於正乂軸方向的角度分別為Μ度與您度。 的石、[3〇1δ]在日才間T1時’寫入字元電流接通，其產生正Y轴方向 厗兹场71 ’亚使磁矩61與磁矩泣開始翻轉。自由層恥的磁性 二 之間的反平仃父換輕合（anti-parallel exchange coupling) 磁、E61與磁矩62朝磁場方向偏轉-小角度。使得磁矩61與 巨62的合成磁矩（圖中未示）對準磁場”的方向，並以順時 200901192 鐘方向旋轉。 [〇19]在％間T2，寫人位元電流導通，產生磁場72在正X轴 方向正Υ轴方向的磁場71與正χ轴方向磁場π，將使合成磁 矩進-步明a請方向補，朗大致對齊異向性(㈣咖取)易 軸(—ax15)的方向，易轴方向相對於正X轴方向的角度為45。 [〇2〇]在時間T3 ’寫入字元電流截止，使得在時間T3只有正 )方向磁：％ 71，因此合柄矩會對準磁場π的方向。在此 階段，磁矩61與磁矩62的偏轉已通過異向性難轴_咖）。 在日術4，寫讀元錢鼓，雜層μ與磁性 層心之間的反平行交換耦合，使得磁㈣與磁矩62的方向盘里 Γ性易轴_现卿，Μ現反平输吨歧量的最低 以繼1躺，在則間_61財向 : 角度為45度，盥磁铲61 ^片0弓士 丨一力丁由· 1 1在叶間Τ〇β寺的勒始角度為225度，相差 久也就衣不磁矩61的狀態已經被翻轉。若在 磁矩61與磁矩62的狀能定殘 ，曰〇 ¥，舲 心疋義為U，則在時間Τ4時，磁矩61 與磁矩62的狀態即定義成『〇』。 磁釔61 [022]以上之說明係為順時鐘 入位元電流反向導通，使得磁矩❹磁二^^電流與寫 以轉換記憶之狀態。 〃〜以物鐘柏旋轉， [023]以上4間τ〇至時間丁4的時間序列中，— :姆通，接著寫人位元電流被導遥，然後寫八;二:： 進先出模式。 口而此—㈣模式可稱之為先 12 200901192
[024]請參考p第$ 磁性穿隨接面_j)々:#發明所揭露之模擬检扣式(T〇ggle) 示，其具有轉換f略仙的寫t入’項出動作之電路模型c如圖所 路130、磁矩轉電/“表71^路12G、寫入資料<儲存電 所示之實施例，主要s^電路14G、與特性模擬電路15Q。圖中 /電壓元件來建立^路设计软體HSPICE内建的緩性受控 丹寺效雷改C 電 [025]轉換電略⑽ 電壓，其包括有第〜㈣將寫人電流產生的磁場興為等效 毛堡源111、笫_ p弓 cx、第二電壓源il3、…_扣 碣關第一時序電容 第-電壓源m、第〜」關114 '與第二時序電容CY，其中 崎'予電容CX與第一鬥明m ^丄 第-開關112雷心贫— 、乐^關1“招互串聯，且 -^彳文处第一電壓源. 間，第二雷壓淚114、坌_丄 毛ICX之 且第轉電容CY與第二開關]14相互电聯， 且弟—丨日用關114電性 〜爭耳外 — 乂、关万、弟一包堅源114與第二時序電 之間。弟-開關U2由第一带厭们… 田弗一电&源114控制，第 一電壓源111控制。 弟知旧114由弟 _分別由第-電壓源111控制的第二開關H4與第二雪壓 源113㈣的第—開關112為常態短路(N_al Short)之電壓控制 開關。第-開關112在第二電壓源113的電壓Ηγ大於检扣式磁 性穿隨接面元件的寫人臨界場等效電·卿時為開路(〇pen)。第 糊114在第一電壓源ηι的電壓取大於检扣式磁性穿随接 面元件的冑人臨界料效電壓VSF ^_(〇pen)。 一 [〇2η轉換電路⑽除了將寫人電流產生的磁場轉換為等效 包ϋ(/'第兒壓源111所表示之電壓ΗΧ、第二電壓源114所表 13 200901192 示之電壓HY)之外，★於τ . _ 也t T1導引路徑的方向記錄 CX與第二時序電容CY内。 弟蚪序笔容 [028]狀態表示電路12〇用以描述下自由層 態表示電路m包括有第三電_ 121、 t㈣。狀 钇、篦二pq 毛原' 122 '狀態電 191 s ：" 第四開關以與第五開關U5。第：、 源⑵與弟四電_22係屬於一種電壓控制電壓 CS記錄自由層磁矩翻轉狀態。第三電源121、第Γ : W 狀態電容CS連接成迴路。第四開關124與第_ ==與 電性連接於狀態電容cs與第四電壓源122之間:二亚^ 導引路徑，第三開關123、第四開關124與第向 一種電壓控制的組合邏輯開關。 〜〜懿知 [〇2_，壓源122之電s EVS設定馬鞋 壓^表未寫入前的_方向狀態，第三電養源⑵之^ £\SR 5又疋為儲存電容cm的反向壓電_VCIvI々 —& 磁矩方向狀態。 &下次寫入後的 [030]於了2時，第一電壓源lu的電壓敗心 廢VSF ,因此第三_ 123為短 ‘I场寻效電 態電容CS充電至_VCM，表示下自由呆二電壓源⑵對狀 至要下次μ錢的方向。 恰好是預翻轉 _第四卿24與第五開義的開啟 第-電壓源111的電壓HX或者第二時序恭办 °月女下。虽 中之-小於寫入臨界場等效電壓Vs ，^ CY的電壓VCY其 、第四開關124會變成短 200901192 路。當第二電壓源113的電壓HY或者第一時序電容 VCX其中之一小於寫入臨界場等效電壓VSF時，第五開閼 、 會變成短路。 以125 [032] 在正常的時序導引波形於Τ2時，第四開關124與第五 開關125為開路。一旦Tj的導引時序如『第4圖』所示护— ' 、^'，第四 開關124與第五開關125其中之一會為短路，使得狀態
^ I 各 CS 的電壓回充為第四電壓源122之電壓Evs，使得自由層的礤矩狀 態回復到未寫入前的狀態，表示寫入失敗。 、 [033] 寫八資料之儲存電路13〇包括有第五電壓源131、第二 電壓源132、儲存電容CM、第六開關133、第七開關134、第乂 開關135、第九開g 136、第十開關137、.第十一開關138。 [〇34]在寫入資料之儲存電路13〇内，第五電壓源13】與第六 毛堡源132分別表示相鄰於穿隧能障絕緣層的自由層磁矩於稃能 =之兩個方向狀態 '第五電壓源131電壓VKH設為VK,第六電 壓源132電堅VKL設為-VK，其令VK>VSF) ε t [〇35]第六開關133、第七開關134、第八開關ΐ35、第九開 ，136 ^第十開關137、第十一開關138，分別在儲存電容CM與 =五二壓源131與第六電壓源132之間形成兩組並聯之充電路 從°弟-充電路徑由第六開關133、第七開關134與第八開關135 —死％路徑由第九開關136、第十開關137與第十一開 關 138 包成，>^、+、 ^剐述之開關係屬於電壓控制的組合邏輯開關。路徑 、、擇由系恶紐路(N〇rmal short)的第六開關133與第九開關136 4空制，而繁BB hr 碣關133受到第二電壓源U3之控制，第九開關136 15 200901192 受到第一電壓源1丨1之控制。先 干 V 〇, 虽弟一电墼源111之電壓ΗΧ>Δ V 0弟/、開關130為開路(〇 去 △V〜0時，第九開關136為 '了壓源113之電壓听> 時序錯誤時，儲存電容CM 2(0pen)。如此一來，若T3的導引 容CM的電壓值。 彳充电路徑將會開路，不改變儲存電 |1；r5i_|充^路^的貝料寫入是由第七開關134與第八開 關1)5來桉φι]。虽儲存電容 s之电壓yCS大於寫入臨界場等效 田一壓'.SF且弟一電壓源ln VQP Ri 〈Ι&ΗΧ大於寫入臨界場等效電壓 YSF、$七_ 134為短 竑戶γ笙4 +广 田儲廿之電壓-VCS大於 两八“界爷寺效電堡VSF且 . 年毛壓源ill之電壓大於寫入臨界 %手心㈣，弟八開關135為短路： [03/]第二充電路徑的咨办 a '卞馬入疋甴苐+開關137食第十一 開關138來控制。當儲存電容以之^' 十 μ帝厭VSF日笙_ + eS之电堡v’CS大於寫入臨界場等 壓VSF時，第十開關137 从包土 且弟—電壓源113之带聚wv 大於寫入臨界場等效電 於寫入臨界場等效電壓VSF且存電容以之電壓·vcs大 卑一 U壓源113之電壓HY大方〜京 入臨界場等效電壓VSF時， 之包;土 入万、舄 T，道2丨宜Λ，作六布 開㈡1 0 8為短路。唯有正確的
Τ)導引馬入’储存電容CM 態表示電路m中的第三電^才4新寫人’同時也更新狀 r〇381^^0er^ 之…121與第四電壓源122的電壓值。 _磁矩組⑮電壓計算 阻！42相互串聯。第七電壓减i4i ^括有第七電壓源⑷與電 壓，用來描述ToggleMl7操作時，=+讀VT絲示磁矩組態電 鐵磁層之磁矩排列關係。言、 &郴於穿卩逐能障絕緣層的兩層 :、、狀1¾¾ CS的電壓與儲存電容 16 200901192 CM的電壓之線性組合：VT=pTlxVCS+pT2xVCM。穩態時自由 層的磁性層43的磁矩62與固定層的磁性層21的磁矩心為平行 或反平行排列時’組態常數PT1與PT2皆設為1/2 ;穩態時自由 層的磁性層43的磁矩62與固定層的磁性層21的磁矩Θ為正父 (Orthogonal)排列時，則組態常數ρτ1與ΡΤ2可設為1/2與4/2或 -1/2 與 1/2。 [039] MTJ元件的I-V特性是使用Simmon’s方程式 ‘為，Χ[θ + (1《咖‘來表示，其中，RA值有關，而7決定 磁阻比MR%隨讀取偏壓增加而下降的效應。參數θ與是由磁矩 組態電壓VT來線性的調整·其值分別是介於(心〜心）與(〜〜5) 之間，其中（t.〜)與(rP)兩組參數可由High與L〇w狀,%、的Ι-ν 可抒取得出。磁矩紐_態電壓VT在内是設定為記錄在儲 存電容CM與狀態電容cs的電壓之線性組合。 [040] MTJ元件的ι_ν特性在特性模擬電路丨5〇內是以電壓控 制電流源來描述，為施加在MTJ元件兩端的電霍與磁矩組 態電壓 VT 之線性組合：IMTJ=AMTJx[p2>(VMTJ+P4xVT>< VMTKP9 X (VT)3+P 13 X VT X (VMTJ)3+P 18 X (VT)2 X (VMTJ)3，
ΑΜΙ7為MTJ元件的面積D
[041] 本案提出之巨集模型的模擬驗證如『第6A圖』〜『第 圖』所示，模擬連績寫入兩次動作，並以〇.4V電壓讀取Mtj 的電流值，Toggle MTJ的翻轉場HSF=4〇〇e，寫入位元線(WBL) 舄入子元線(WWL)的電流產生磁場的效率皆設為$ 〇e/mA , 17 200901192 RL=10KQ ^，3〇〇/O@;〇v〇 電壓VT在“過財的變化，^仏、狀態電容的電壓與阻態 ΓΠ/01+ ^ , 仏付5、下自由層磁矩的翻轉行Λ。 :==一_ 二
圖』中的操作方式。『第尺Α闰『μ。 圖』為模擬『第1 WAD』與弟8B 牛圖』中的操作方式。 [043] 若丁3導引時序 I題干於『g〜 、 °、弟一八圖』的操作模式之模擬結 果喊不万、乐遠圖』盥『笛<7P回「 』”弟/B圖』，r第2B圖的择作 模擬結果顯示於『第9 、式之 .ΠΌ „ . 口』，、乐9Β圖』。『弟10Α圖』斑『筮 iOB圖』係為同眭樣擦『 』，、弟 〜驗弟2A圖』與『第2β圖中 [044] 雖然本笋 C方式。 ^剌a 述之貫施觸露如上1其並非用以限
疋本贺G月仗不蹄吨士 D 也滩奉餐明之精神和範圍内， 均屬本發明之專到伴e pB^ , 人劼穴❸飾， 予…呆匕乾圍。關於本發明所界定之保護 考所附之申請專利_。 这Uw 【圖式簡單說明] =1A®I係為磁性隨機存取記憶體之結構示意圖。 第1B圖係為磁性隨機存取記憶體之結構示意圖。 第2A圖〜第2B圖係為磁性隨機存取記憶體之操作 時序示意圖。 〃，馬入 第3圖係為栓扣式(Toggle)磁性穿隧接面(MTJ)元件的時庠 引寫入波形。 、巧 第4圖係為栓扣式(T〇ggle)磁性穿隧接面(MTJ)元件於乃日± 序導引錯誤波形。 ^ 第5圖係為模擬栓扣式(Toggle)磁性穿隧接面(MTJ)元件之命 200901192 路不意圖。 第6A圖〜第6B圖係為模擬第2A圖中的操作方式。 第7A圖〜第7B圖係為模擬第2A圖中的操作方式，其中包 括寫入失敗之模擬。 第8A圖〜第8B圖係為模擬第2B圖中的操作方式。 第9A圖〜第9B圖係為模擬第2B圖中的操作方式，其中包 括寫入失敗之模擬° 第10A圖〜第10B圖係為同時模擬第2A圖與第2B圖中的 操作方式。 【主要元件符號說明】 10 ...........................瓦鐵磁層 20 ..........................固定層 21 ..........................磁性層 22 ..........................中間層 23 ..........................磁性層 30 ..........................穿隧能障絕緣層 40 ..........................自由層 41 ..........................磁性層 42 ..........................中間層 43 ..........................磁性層 51 ..........................上電極 52 ..........................下電極 61 磁矩 19 200901192 62 ..........................磁矩 63 ..........................磁矩 64 ..........................磁矩 71 ..........................寫入操作區 72 ..........................順時針方向 73 ..........................寫入操作區 74 ..........................逆時針方向 81 ..........................磁場 82 ..........................磁場 WBL ··.·.·....................寫入位元線 WWL..........................寫入字元線 RBL ..........................讀出位元線 110 ..........................轉換電路 120 ..........................狀態表示電路 130 ..........................寫入資料之儲存電路 140 ..........................磁矩組悲電壓計鼻電路 150 ..........................特性模擬電路 111 ..........................第一電壓源 112 ..........................第一開關 113 ..........................第二電壓源 114 ..........................第二開關 121 ..........................第三電壓源 122 ..........................第四電壓源 20 200901192 123 ........... ...............第二開關 124 ........... ...............第四開關 125 ........... ...............第五開關 131 ........... ...............第五電壓源 139 ........... ...............第六電壓源 133 ........... ...............第六開關 134 ........... ...............第七開關 135 ........... ...............第八開關 136 ............ ...............第九開關 137 ..…...... ...............第十開關 ns ...............第十一開關 141 ............ ...............第七電壓源 ...............電阻 CX ........... ...............第一時序電容 CY ............ ...............第二時序電容 CS ........... ...............狀態電容 CM ............ ...............儲存電容 21