TW201110435A - Memory - Google Patents

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201110435 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種具有記憶體裝置之記憶體。 【先前技術】 使用先前技術中之記憶體之一系統典型使用即使在關閉 電力之後仍保留資訊之唯讀記憶體（R0M)及在關閉電力時 揮發資訊但可重複執行快速且無限記錄與讀出之隨機存取 記憶體（RAM)。 先則技術中之此等記憶體被分成ROM(諸如快閃記憶體） 以及RAM(諸如動態隨機存取記憶體（DRAM)及靜態隨機存 取s己憶體（SRAM))的兩種類型，且各自具有獨特結構。 當前’已出現所謂的非揮發性RAM之記憶體，諸如磁性 隨機存取記憶體（MRAM)及鐵磁性隨機存取記憶體 (FeRAM)。 該等非揮發性RAM具有與該等RAM之快速重複寫入及 隨機存取讀出能力相等之該能力，且即使在關閉電力之後 不失去資訊。 應考慮’可使用該等非揮發性RAM來簡化使用先前技術 中之ROM及RAM兩者之系統，因此，可降低該系統之價 格。 在此情形下，已放置於ROM中之該系統之獨特資訊（諸 如用於通信之一序列號及一網路ID及一加密密鑰等等）係 儲存於一可重寫RAM區域中。 此外，已提s義其中一穿随磁阻效應裝置之一鐵磁性層之 146338.doc 201110435 該磁化方向係藉由自旋注入而反轉之自旋注入類型記憶體 裝置之一組態（例如，參見JP-A-2003-17782及NIKKEI ELECTRONICS，2001年2月12日公布，第164至171頁）作 為一新非揮發性RAM。 在該組態之情形下，該非揮發性RAM具有與該RAM之 快速重複寫入及隨機存取讀出之一性質相等之該性質’且 即使在關閉電力之後亦如上述之MRAM般不失去資訊。 因此，即使使用該自旋注入類型記憶體裝置，亦可如在 上述MRAM之情形下般簡化先前技術中之使用ROM及RAM 兩者之該系統。 【發明内容】 當前，預期可用作為RAM之非揮發性記憶體包含（例如） 上述之FeRAM及MRAM。 在典型運用條件下，即使在關閉電力之後，保持寫入至 該等FeRAM及MRAM中之資訊。 然而，在使用該等FeRAM及MRAM代替ROM之情形下， 資訊係放置於其中可重寫資訊之一 RAM區域中。因此，存 在由於程式錯誤、外源雜訊或類似物而改變資料之一微小 可能性，且存在可能失去啟動該系統所必需之資訊之一危 險。 · . 已知的是，存在可由於在晶片焊接時之熱或類似物而自 FeRAM失去資訊及由於強外部磁場而自MRAM失去資訊之 一可能性。 因此，容易地執行完全ROM之功能（即難以失去資訊）及 146338.doc 201110435 RAM之功能(即自由讀取及寫入)兩者可為不可能。 此外’、同樣’在無改變之情況下使用自旋注人類型記憶

體裝置代替ROM之情形下，左y- -γ· A A

下存在可如使用FeRAM及MRAM 之情形般失去資訊之一可能性。 因此，期望提供可使用具有相同組態之記憶體裝置實現 一 ROM及一 RAM兩者之一記憶體。 本發明之一實施例之-種記憶體包含-記憶體裝置，該 記憶體裝置包含一穿隧磁阻效應裝置’該記憶體裝置含有 其中-磁化方向可反轉之一磁化自由層、包含一絕緣材料 之一穿隧阻障層，及經由該穿隧阻障層相對於該磁化自由 層而具備一固定磁化方向之一磁化固定層。 此外，6亥纪憶體包含具有該組態之複數個記憶體裝置， 及其中使用該記憶體裝置之該磁化自由層之該磁化方向記 錄資訊之一隨機存取記憶體區域及其中取決於是否存在該 記憶體裝置之該穿隧阻障層之崩潰而記錄資訊之一唯讀記 憶體區域。 根據本發明之該實施例之該記憶體之該組態，包含其中 使用該記憶體裝置之該磁化自由層之該磁化方向記錄資訊 之該隨機存取記憶體區域及其中取決於是否存在該記憶體 裝置之該穿隧絕緣層之崩潰而記錄資訊之該唯讀記憶體區 域。 在該隨機存取記憶體區域之該記憶體裝置中，取決於該 磁性自由層之該磁化方向展示高電阻之一第一電阻狀態及 低電阻之一第二電阻狀態之一者。在唯讀記憶體區域之該 146338.doc 201110435 記憶體裝置中，若該穿隨阻障層未崩冑，則展示該第一電 二狀態或該第二電阻狀態。另—方面，若該穿隨阻障層已 崩潰，則展示充分低於在該第二電阻狀態中之電阻之一第 三電阻狀態。 ;此外由感測上述之三種電阻狀態，可讀出所記錄資 λ之内谷。藉此，使用具有相同組態之記憶體裝置，可實 現隨機存取記憶體（RAM)及唯讀記憶體（R〇M)兩者。 根據本發明之上述實施例，可使用具有相同組態之該等 記憶體裝置實現隨機存取記憶體（RAM)及唯讀記憶體 (ROM)兩者。藉此，在先前技術中已獨立地製造之一 晶片及一 RAM晶片可由一晶片取代。 因為可使用具有相同組態之該等記憶體裝置實現該 及該ROM兩者，所以可減少電路部分的類型及製造成本。 此外，因為先前技術中之已藉由一 R〇M晶片及一 晶片之兩個獨立晶片形成之一電路可藉由一晶片形成，且 因而可實現該記憶體之該電路組態之簡化及該記憶體之縮 小化。 - 【實施方式] 將說明用於實施本發明之一較佳實施例（下文中稱為 「實施例」）。 將以下列順序進行說明： 1. 本發明概述 2. —實施例之記憶體之記憶體裝置之組態 3. 記憶體裝置之實驗實例 146338.doc 201110435 4. 一實施例之記憶體之電路組態 5. 經修改之實例 < 1.本發明概述> 在說明本發明之特定實施例之前，將說明本發明概述。 在本發明之實施例中，使用包含穿隧磁阻效應裝置之複 數個記憶體裝置形成一記憶體（一記憶體裝置）。 此外’形成該記憶體之該複數個記憶體裝置被分類為一 隨機存取記憶體（RAM)區域及一唯讀記憶體（ROM)區域。 在該隨機存取記憶體（RAM)區域中，使用包含該穿隧磁 阻效應裝置之該記憶體裝置之一磁性自由層之一磁化方向 記錄資訊。在該唯讀記憶體（R〇]V[)區域中，取決於包含該 穿隧磁阻效應裝置之該記憶體裝置之一穿隧絕緣層中是否 存在崩潰來記錄資訊。 在該隨機存取記憶體（RAM)區域中，因為資訊係使用該 記憶體裝置之該磁性自由層之該磁化方向記錄，所以該磁 性自由層充當一記憶體層。 在該唯讀記憶體（ROM)區域中，因為資訊係取決於該記 憶體裝置之該穿隧絕緣層中是否存在崩潰而記錄。因此， 該記憶體裝置之該磁性自由層之兮滅儿七a〆 也匕 «田增之β玄磁化方向係任意的，且 該磁性自由層不用作為用於儲左咨 m诨存#讯之一記憶體層。

當在該隨機存取記憶體A ® (KAM)區域中之該記憶體裝置中 記錄資訊時，藉由自旋注入徂庙 疋，王入供應具有一量值（其反轉該磁 性自由層之該磁化方向）之—啻^ 電流，或將具有一量值（其反 轉該磁化方向）之—外部磁搵a χ 一 丨兹％施加於該磁性自由層。其 146338.doc 201110435 中，藉由在该记憶體裝置之該磁性自由層附近提供磁場施 加之佈線並且使一電流流動於該佈線中以產生一電流磁 場’可容易地施加該外部磁場。 接著，在S己錄資訊時，該記憶體裝置之電阻係在高電阻 之一第一電阻狀態與低電阻之一第二電阻狀態之間改變。 如在上述之專利文獻1及非專利文獻丨或類似物中所述，在 該穿隧磁阻效應裝置中，此兩種電阻狀態可在無材料疲勞 (亦即，裝置破壞）之情況下可逆地改變。 因此，對於重複記錄（其在該裝置用作為一 RAM時係必 需的）而s ’用於本發明之該實施例之該記憶體之包含該 穿隧磁阻效應裝置之該記憶體裝置在電阻方面係有利的。 當在該唯讀記憶體（ROM)區域中之該記憶體裝置中記錄 資訊時’藉由將比一穿隧阻障層之崩潰耐壓更高之一電壓 施加於該記憶體裝置而使該穿隧阻障層崩潰。為了施加該 電壓，提供包含連接於該記憶體裝置之上及之下之佈線等 之一電壓供應單元。 以此方式，藉由使該穿隧阻障層崩潰來記錄資訊。因為 該穿隧阻障層之該崩潰係一不可逆的改變，所以該資訊難 以失去。即，其中已藉由崩潰來記錄資訊之該記憶體裝置 可用作為一唯讀記憶體（ROM)。 此外，為讀出記錄於該記憶體裝置中之該資訊，藉由將 用於讀出之一電壓施加於該記憶體裝置偵測該裝置之電 阻8在該隨機存取記憶體（RAM)區域之該記憶體誓置中 使用一感測放大器或類似物判定高電阻之該第一電阻狀，賤 146338.doc 201110435 或低電阻之該第二電阻狀態。在該唯讀記憶體（ROM)區域 之該記憶體裝置中，使用一感測放大器或類似物判定該第 一電阻狀態或該第二電阻狀態或其中該穿隧阻障層已崩潰 之一第三電阻狀態。 應注意，在該記憶體裝置具有其中該磁性自由層之該磁 化方向係藉由自旋注入而反轉之一組態之情形下，該讀出 電壓係設定為比用於供應具有反轉該磁化方向之量值之電 流之一電壓（寫入電壓）更低之一電壓。 在用於本發明之該等實施例之該記憶體之該記憶體裝置 中’用於該穿隧磁阻效應裝置之已知材料可用作為該磁性 自由層、5亥穿隨絕緣層、一磁化固定層、一反鐵磁性層等 等之各自層之材料。 此外’在該記憶體裝置具有其中該磁性自由層之該磁化 方向係藉由自旋注入而反轉之一組態之情形下，針對該隨 機存取記憶體（RAM)區域中之該記憶體裝置，提供供應一 電流至該記憶體裝置以用於記錄資訊之一電流供應單元。 "玄電"L供應單元可包含（例如）連接於該記憶體裝置之上及 之下之佈線或類似物。 在本發明之該等實施例之該記憶體中，可使用具有相同 組態之記憶體裝置實現一隨機存取記憶體（RAM)及一唯讀 記憶體（ROM)兩者。 憶體（RAM)區域中之記 域中之記憶體裝置係容 先前技術中之已獨立地 因此’可實現其中該隨機存取記 憶體裝置及該唯讀記憶體（ROM)區 納於相同晶片中之一組態。藉此， 146338.doc •10· 201110435 製造之一 ROM晶片及一 RAM晶片可由一晶片取代。 此外’因為可使用具有相同組態之該等記憶體裝置實現 該RAM及該ROM兩者，所以可減少電路部分的類型及製 造成本。 此外，因為在先前技術中已藉由一 ROM晶片及一 RAM 晶片之兩個獨立晶片形成之一電路可藉由一晶片形成，且 因而可實現該電路組態之簡化及該記憶體之縮小化。 應注意，該ROM與該RAM之間之區別可在製造時預先 判定或由一使用者在使用中設定。 在一使用者於使用中設定該區別之情形下，例如，提供 在外部輸入資訊至具有複數個記憶體裝置之一記憶體晶片 之一輸入單元。此外，當其實際使用時，其經操作使得來 自該複數個記憶體裝置之某些記憶體裝置可被指派至該 RAM區域且其他記憶體裝置可被指派至該ROM區域。在 此方面，可針對該輸入單元提供顯示輸入至該輸入單元之 «亥資汛之一顯示單元（例如，使用液晶或led之一顯示 器）。 <2.實施例之記憶體之記憶體裝置之組態> 隨後，將說明本發明之一特定實施例。 圖1係本發明之 (一記憶體單元之_

一源極區域4、— 一貫施例之一記憶體之一示意性組態圖 ’於一半導體基底10(諸如一矽基板）上， 該閛極7 3於選擇每一記憶體單元之一選擇電晶體之 ~汲極區域5，及一閘極7。其中，該閛極7 I46338.doc 201110435 亦用作為在正交於紙表面之一方向上延伸之一位址佈線 (例如，一字線）。 一佈線6係經由一接觸層2而連接至該汲極區域5。 此外，在該源極區域4與提供於該圖式中之上部分且在 水平方向上延伸之其他位址佈線（例如，一位元線）3之間提 供一記憶體裝置1。該記憶體裝置1包含一穿隧磁阻效應裝 置’其具有包含其中一磁化方向係藉由自旋注入而反轉之 一鐵磁性層之一磁性自由層（記憶體層）。 此外’該記憶體裝置1係提供於該兩個位址佈線3、6之 父叉點附近。 該記憶體裝置1係經由上接觸層2及下接觸層2而分別連 接至該位元線3及該源極區域4 » 藉此，可以自該位址佈線3經由該選擇電晶體而至該佈 線6之一路線將一電流供應至該記憶體裝置1，該電流係垂 直地流動於該記憶體裝置1中（在該記憶體裝置1之堆疊方 向上），且藉此，可藉由自旋注入反轉該記憶體層之該磁 化方向。即，該位址佈線3及該佈線6係上述之用於供應一 電流至該記憶體裝置1之電流供應單元。 在該實施例之該記憶體中’特定言之，該記憶體包含圖 1中展示之複數個記憶體裝置1。此外，具有形成該記憶體 之相同組態之該複數個記憶體裝置1被分類為該隨機存取 記憶體（RAM)區域及該唯讀記憶體（rom)區域。 在該隨機存取s己憶體（RAM)區域中，使用包含該穿隨磁 阻效應裝置之该s己憶體裝置1之一磁性自由層之一磁化方 146338.doc 12 201110435 向記錄資訊。 在該唯讀記憶體（ROM)區域中，取決於是否存在包含該 穿隧磁阻效應裝置之該記憶體裝置丨之該穿隧絕緣層之崩 潰而記錄資訊。 在該記憶體裝置1之該各自區域中記錄資訊之細節將與 該記憶體裝置1之詳細組態（稍後將描述）一起說明。 此外’圖2係該實施例之該記憶體之該記憶體裝置〗之一 示意性截面圖。 如圖2中所示，在該記憶體裝置丨中，一磁化固定層^係 提供於一磁性自由層18(其中該磁化Ml之方向係藉由自旋 注入而反轉）之下。在該磁化固定層13之下，提供一反鐵 磁性層12，且該磁化固定層13之該磁化方向係藉由該反鐵 磁性層12固定。 在該磁性自由層1 8與該下磁化固定層丨3之間，提供一穿 隧阻障層（穿隧絕緣層）17。 此外，在該反鐵磁性層12之下形成一基座層丨丨，且在該 磁性自由層18之上形成一頂蓋層19。 即，圖2中展示之該記憶體裝置“系藉由包含該磁性自由 層18、該穿隧阻障層（穿隧絕緣層）17及該磁化固定層13之 一穿隧磁阻效應裝置（TMR裝置）形成。 此外’該磁化固定層13具有一堆疊反鐵磁性結構。 特定言之’該磁化固定層13具有其中兩個鐵磁性層14、 16係經由一非磁性層15堆疊及反鐵磁性耦合之一組態。 該磁化固定層13之該各自鐵磁性層14、16具有堆疊反鐵 146338.doc •13· 201110435 磁性結構，且因此’該鐵磁性層14之磁化Ml4係指向右且 該鐵磁性層16之磁化Μ16係指向左且彼此相反。藉此，自 該磁化固定層13之該等各自鐵磁性層14、16线露之磁通量 彼此抵消。 包含鐵、鎳、鈷之一、二或多者之一金屬合金材料可用 於形成該磁化固定層13之該等鐵磁性層14、16。此外，在 此等磁性層之該金屬合金中’可包含一過渡金屬元素（諸 如鈮及锆）、一輕元素（諸如硼及碳），及一稀土元素（諸如 釓、铽及釔），且，此外，可使用其等之氧化物或氮化 物。 可使用產生耦合於釕、銅 '铑、鉻或類似物之磁性層之 間之反鐵磁性間層之一材料作為用於該磁化固定層丨3之該 非磁性層1 5之一材料。 可使用鐵、鎳、鈷或類似物之一、二或多者之鐵磁性材 料之一金屬合金材料作為該磁性自由層丨8之一材料。此 外’在該磁性金屬合金中’可包含一過渡金屬元素（諸如 鈮及鍅）、一輕元素（諸如硼及碳），及一稀土元素（諸如 礼、铽及紀）’且，此外，可使用其等之氧化物或氮化 物。 可使用 ai2〇3、Mg0、Hf0、si〇、si〇2、siN或類似物或 其等之一混合物之一材料作為該穿隧阻障層i 7之一材料。 可使用一 1孟化合物（諸如PtMn、RhMn、RuMn、FeMn、 ΐΓΜη或類似物）作為該反鐵磁性層丨2之一材料。 非特疋限制，但—般言之，可使用钽、鉻、鈦、鎢、 146338.doc 201110435 鋁、銅、TiN或CuN或類似物之一金屬或一金屬氮化物之 一導體作為該基座層1丨及該頂蓋層19之一材料。 可藉由在真空設備内自該基座層11至該頂蓋層丨9連續形 成且接著處理（諸如蝕刻）以形成該記憶體裝置1之一圖案來 製造該實施例之該記憶體裝置1。 在該實施例之該上述記憶體中’該記憶體包含具有圖1 及圖2中展示之該組態之複數個記憶體裝置1。此外，如上 所述’具有形成該記憶體之相同組態之該複數個記憶體裝 置1被分類為隨機存取記憶體（ram)區域及唯讀記憶體 (ROM)區域。 在該隨機存取記憶體（RAM)區域中，使用包含該穿隧磁 阻效應裝置之該記憶體裝置丨中之該磁性自由層18之該磁 化Ml之方向記錄資訊。 當在該隨機存取記憶體（RAM)區域之該記憶體裝置】中 記錄資訊時，藉由自旋注入將具有一量值（其反轉該磁性 自由層1 8之磁化μ 1之方向）之一電流供應至該記憶體裝置 1接著在3己錄貝讯時，該記憶體裝置1之電阻係在高電 阻之一第一電阻狀態與低電阻之一第二電阻狀態之間改 隻。特定έ之，當該磁化固定層丨3之在該磁性自由層〖8附 近之該鐵磁性層16之磁化Ml6之方向與該磁性自由層“之 磁化Ml之方向為反平行時’該電阻轉變成高電阻之該第 電阻狀態，且當該等方向為平行時，則該電阻轉變成低 電阻之該第二電阻狀態。 在唯讀記憶體(ROM)區域中，在包含該穿隧磁阻效應裝 146338.doc ‘】5· 201110435 置之該記憶體裝置1中，取決於其之穿隧阻障層17中是否 存在崩潰而記錄資訊。 當在該唯讀記憶體（ROM)區域之該記憶體裝置1中記錄 資訊時’提供比該記憶體裝置1之該穿隧阻障層1 7之崩潰 耐壓更高之一電壓。藉此，使該穿隧阻障層17崩潰且該記 憶體裝置1之該電阻狀態轉變至比低電阻之該第二電阻更 低的電阻之一第三電阻狀態’並且記錄資訊。為提供比該 記憶體裝置1之該穿隧阻障層17之該崩潰耐壓更高之該電 壓’通過連接於該記憶體裝置1之上及之下之佈線（圖1中 之該等位址佈線3、6)供應該電壓。即，此等位址佈線3、 6係上述之供應用於引起該記憶體裝置1中之崩潰之一電歷 之電壓供應單元。 應注意’當使用作為供應至該IC晶片之電力供應電壓之 1.8 V至3.3 V之一電力供應電壓（其係典型使用）時，調適 該穿隨阻障層17之厚度使得該裝置電阻與該面積之一乘積 可為5 Ωμηι2至30 Ωμιη2而致能用該電壓進行自旋注入記 錄。滿足該條件之該穿隧阻障層17之厚度為約〇.7奈米至 1.2奈米。 在該厚度範圍内之該穿隧阻障層17之崩潰耐壓為約15 V至 2.5 V。 此外，當將該記憶體裝置丨用於該RAM應用（其中該裝置 在產品壽命中不應被破壞）時，必需在低於崩潰耐壓之一 寫入電壓使用該裝置使得該裝置可不因在寫入時之電壓施 加而崩潰或出現故障。 146338.doc -16- 201110435 另一方面，當將該裝置i用於R0M應用時，可能僅需執 行寫入一次，且使用比該崩潰耐壓更高之一電壓以破壞該 穿随章層17而執行寫入並產生具有比—般低電阻狀態更 小之一電阻之該第三電阻狀態。 已引起崩潰之該穿隧阻障層17係不可逆的且此狀態之該 電阻不因時間的改變而改變。因此，該第三電阻狀態係永 久的且該裝置可用作為僅可重寫一次之一r〇m之一裝置。 <3·記憶體裝置之實驗實例> 此處，實際製作具有圖2中展示之組態之該記憶體裝置 1 ° 特定言之，在具有圖2中展示之該組態之該記憶體裝置i 中，如在下列膜組態中展示般選擇該等各自層之材料及厚 度。即，該基座膜Π係厚度為3奈米之一鈕膜，該反鐵磁 性層12係厚度為20奈米之一 PtMn膜，形成該磁化固定層u 之該鐵磁性層14係厚度為2奈米之— c〇Fe膜，該非磁性層 15係厚度為〇.8奈米之一釕冑，該鐵磁性層⑹系厚度為*奈 米之一CoFeB膜。此外，該穿隧阻障層17係厚度為〇·9奈米 之一氧化鎂膜，該磁性自由層18係厚度為2奈米之一 CoFeB膜，該頂蓋層19係厚度為5奈米之一鈕膜。此外， 在該基座膜11與該反鐵磁性層丨2之間提供厚度為5〇奈米之 一銅膜（未展示）(待作為一字線，其將於稱後描述）。應注 意，該磁性自由層18與該鐵磁性層16之該等c〇FeB膜之組 合物係C〇4〇Fe20B(原子百分比），該反鐵磁性層12之該 PtMn膜之組合物係pt5〇Mn5〇(原子百分比），㈣鐵磁性層 146338.doc •17- 201110435 14之該CoFe膜之組合物係Co90Fel0(原子百分比）。 以此方式，形成該記憶體裝置1之該等各自層。 膜組態：钽（3奈米）/銅（50奈米）/PtMn(20奈米VCoFe(2奈 米）/釕（0.8 奈米）/CoFeB(4 奈米）/MgO(0.9 奈米）/C〇FeB(2 奈 米）/組（5奈米）。 除了包含氧化鎂膜之該穿隧阻障層17以外之該等各自層 係使用DC磁控管濺鍍形成。 包含氡化鎂（MgO)膜之該穿隧阻障層17係使用RF磁控管 濺鍍形成。 接著’在真空設備内藉由濺鍍連續地形成該記憶體裝置 1之5亥專各自層。 接著’在一熱處理爐中，用1炚〇6在36〇。(：執行熱處理達 兩小時，並執行該反鐵磁性層12之該PtMn膜之有序化熱處 理。 接者，藉由光微影遮罩 線以外之部分之堆疊膜上使用氬電漿執行選擇性蝕刻，且 藉此，形成該字'線（下電極）。在此方面，除了該字線部分 以外之該部分經蝕刻至該基板之5奈米之深度。 妾著使用—電子束繪圖系統形成該記憶體裝置丨之該 圖案之遮罩’接著’在該#堆疊膜上執行選擇性㈣，且 錯此’形成該記憶體裝置卜除了該記憶體裝置⑽外之部 刀係蝕刻至緊接該字線之該 ^ ^ ^ Λ W心工彺此方面，該記憶 、之。亥圖案具有以8〇奈米短轴χ2 圓形狀。 1我軸之橢 I46338.doc 201110435 接著’藉由八丨2〇3之濺鍍使除了該記憶體裝置1部分以外 之該部分絕緣。 接著，使用光微影形成待作為一上電極及一量測墊之位 元線。 以此方式，製作工作實例丨之該記憶體裝置丨之一樣本。 關於工作實例1之該樣本之一記憶體裝置丨，當施加於該 記憶體裝置1之該電壓從d V改變至+ 1 ¥時，量測該記憶 體裝置1之電阻。 作為一量測結果，圖3展示施加於該記憶體裝置丨之該電 壓與s玄記憶體裝置1之該裝置電阻之間之關係。 如自圖3可見，可藉由改變流動於包含該穿隧磁阻效應 裝置之該記憶體裝置丨中之電流的方向而藉由該自旋注入 磁化反轉效㈣改變該磁性自由層（記憶體層）18之磁化M1 之方向。藉此，該磁性自由層（記憶體層）18之磁化M1之該 方向可改變為相對於該磁化固定層13之該鐵磁性層16之磁 化M16之該方向平行或反平行。已知該記憶體裝置丨的電 阻藉由磁阻效應隨著該磁性自由層（記憶體層）18之磁化M1 之該方向的改變而改變。 接著，如一 RAM，當一所施加脈衝之電壓上升至高於該 操作電壓範圍時，執行將該電壓脈衝施加於工作例丨之該 樣本之該等若干記憶體裝置1之各者且接著量測該裝置之 電阻之量測。注意，在量測之前，該記憶體裝置丨之電阻 係設定在高電阻狀態。 作為一量測結果，該等若干記憶體裝置丨之該裝置電阻 146338.doc 19 201110435 之改變被疊加且展示於圖4中》 如圖4中所示，在其中該所施加脈衝之電壓為低之一區 域中，展不作為一初始狀態之高電阻之該第一電阻狀態 R1。隨著該施加之電壓上升，藉由自旋注入引起磁化反轉 且該狀態轉變成低電阻之該第二電阻狀態R2 ,，隨著該所施 加電壓進一步上升，該穿隧阻障層17崩潰，該裝置電阻自 低電阻之該第二電阻狀態尺2進一步變得更低，且該狀態轉 變成该第二電阻狀態，如其中該阻障導電之狀態。 使用該記憶體裝置丨之該三種電阻狀態（該第一電阻狀態 R1、該第二電阻狀態R2、該第三電阻狀態R3)，可將r〇m 及RAM混合於具有圖2中之複數個記憶體裝置丨之該記憶體 中0 <4.記憶體之一實施例之電路組態> 接著’將說明該實施例之該記憶體之一電路組態。 圖5係該實施例之該電路組態之一示意性組態圖（本發明 之一實施例之該記憶體）。 如圖5中所示，一單元選擇電晶體22係串聯連接至一記 憶體裝置21(對應於圖2中之該記憶體裝置丨），且此等記憶 體裝置2 1及單元選擇電晶體22形成每一記憶體單元。 許多記憶體單元係以一矩陣配置，且該等記憶體單元之 單元選擇電晶體22係連接至相對於每一列之橫向佈線。 在該等橫向佈線之下游，連接用於辨別該等記憶體裝置 2 1之電阻狀態之一感測放大器28。關於感測放大器28，係 連接一可切換地產生兩個電壓之臨限值產生電路23。 146338.doc -20- 201110435 在該圖式之左下’提供可類似地可切換產生兩種電壓之 一寫入電壓產生電路24。 。在°亥圖式之左上，提供判定輪人位址資料並產生作為-區域選擇信號S1之-咖區域選擇信號及—證區域選 擇信號之一功能選擇位址解碼器25。 此外’針對該等橫向佈線提供—列位址解碼器26，該等 橫向佈線與每一列之該等記憶體單元連接。 在每一仃之該等記憶體單元中，提供連接至該等記憶體 單元之單元選擇電晶體22之閘極之縱向佈線。此外，該等 縱向佈線係連接至一行位址解碼器2 7。 在將預先用料一ROM設定之一位址範圍輸入為位址資 料時，该功能選擇位址解碼器25致能該R0M區域選擇信 號《該ROM區域選擇信號係輸入至該臨限值產生電路23及 該寫入電壓產生電路24。 類似地，在將預先用作為一 RAM設定之一位址範圍輸入 為位址貧料時，該功能選擇位址解碼器25致能該RAM區域 選擇仏號。該RAM區域選擇信號係輸入至該臨限值產生電 路23及該寫入電壓產生電路24。 此外，該臨限值產生電路23及該寫入電壓產生電路24判 定是否已使用該ROM區域選擇信號或該ram區域選擇信 號選擇該ROM區域或該ram區域’並且回應於所選擇的 區域而控制待產生之電壓。 該臨限值產生電路23產生一臨限電壓。使用該臨限電 壓，可在該感測放大器28中辨別該等電阻。 146338.doc •21 · 201110435 在該RAM區域中，該臨限電壓係設定為介於分別在該記 憶體裝置21之該第一電阻狀態R1及該第二電阻狀態R2中 產生之至該感測放大器28之輸入電壓之間之一第一臨限電 壓。此外，在該ROM區域中，該臨限電壓係設定為介於分 別在該記憶體裝置21之該第三電阻狀態R3及該第二電阻狀 態R2中產生之至該感測放大器2 8之輸入電壓之間之—第二 臨限電壓。 當在該RAM區域中之該記憶體裝置21中記錄資訊時，該 寫入電壓產生電路24產生低於該穿隧阻障層之崩潰電壓 之一第一寫入電壓作為該寫入電壓。 另一方面’當在該ROM區域中之該記憶體裝置21中記錄 資訊時，該寫入電壓產生電路24產生高於該穿隧阻障層17 之該崩潰電壓之一第二寫入電壓。 此外，在讀出時，該寫入電壓產生電路24產生充分低於 該第一寫入電壓之一電壓使得寫入無法執行。、 在該實施例中，該寫入電壓產生電路24及連接至該等記 憶體裝置21以及該等單元選擇電晶體22之該感測放大器28 對於該RAM區域及該ROM區域而言係相同的電路。因 此，在電路設計及晶圓製造時，不必相對於該等記憶體裝 置21之該部分區分該RAM區域及該r〇m區域。 對於該RAM區域及該ROM區域之分段，僅需在操作時 改變產生於該寫入電壓產生電路24中之寫入電壓及產生於 »玄限值產生電路23中之臨限電壓之該等各自電壓之設定 並將該設定輸入至該感測放大器28。 I4633S.doc -22· 201110435 例如，通常，針對RAM操作提供該第一寫入電壓及該第 一臨限電壓。接著，當存取期望用作為該R〇M區域之位址 時，僅該位址解碼器電路經變更以自該功能選擇位址解碼 器25產生該ROM區域選擇信號作為該區域選擇信號s丨。接 著，使用該ROM區域選擇信號，可將該第二寫入電壓提供 至該寫入電壓產生電路24且可將該第二臨限電壓提供至該 感測放大器28。 根據該實施例之上述記憶體，在該隨機存取記憶體 (RAM)區域中，反轉該記憶體裝置1之該磁性自由層以之 磁化Μ1之方向並記錄資訊。此外，在該唯讀記憶體（R〇M) 區域中，提供高於該記憶體裝置1之該穿隧阻障層17之該 朋/貝耐壓之該電壓以使該穿隨阻障層17崩潰而進入至該第 三電阻狀態R3，且記錄資訊。 藉此’可能使用圖2中展示之該記憶體裝置1作為該隨機 存取記憶體（RAM)或該唯讀記憶體（ROM)。 以此方式，使用具有相同組態之該等記憶體裝置1，可 實現該隨機存取記憶體（RAM)及該唯讀記憶體（R〇M)兩 者。藉此’在先前技術中已獨立地製造之一 R〇M晶片及一 RAM晶片可由一晶片取代。 此外’因為可使用具有相同組態之該等記憶體裝置1實 現s亥RAM及該ROM兩者，所以可減少電路部分之類型及 製造成本。 此外’因為已藉由一 ROM晶片及一 RAM晶片之兩個獨 立晶片形成之一電路可藉由一晶片形成’且因而可實現該 146338.doc -23- 201110435 記憶體之該電路组態之簡化及該記憶體之縮小化。 <5.經修改之實例〉 在上述實施例中，該記憶體裝置1之該磁化固定層13具 有夾於該兩個鐵磁性層14、16之間之非磁性層1 5之一堆疊 反鐵磁性結構。 在本發明之該實施例中，該磁化固定層可僅包含一鐵磁 性層’該磁化固定層可具有包含三或更多個鐵磁性層之一 堆疊反鐵磁性結構。 在上述實施例中’對於該記憶體裝置1，藉由自旋注入 方法使該磁性自由層18之磁化Ml之方向反轉。 本發明之該等實施例包含下列情形：其中該磁性自由層 之该磁化方向係藉由將一外部磁場施加於包含該穿隧磁阻 效應裝置之έ亥兄憶體裝置（如先前技術中之一 MRAM)之該 磁性自由層而反轉。在此情形下，通過連接至該記憶體裝 置之佈線（用於感測電阻值並讀出所記錄資訊之内容之讀 出佈線或另一佈線）將使ROM區域中之該記憶體裝置之該 穿隧絕緣層崩潰之電壓施加於該記憶體裝置。 此外’可將以下組態用作為本發明之另一實施例之一記 憶體。 首先’形成複數個記憶體裝置並預備其中不完全區別 ROM區域或RAM區域之一晶片。 針對该晶片，提供用於外部輸入資訊之一輸入單元。 當實際使用該晶片時，對於輸入至該輸入單元之資訊的 内容，例如，可提供用作為一R〇M區域之一區域之一信號 146338.doc -24- 201110435 =之：::信號。藉此，操作該晶片使得該複數個記憶體 體裝晉；’體裝置可經指派至一副區域且其他記憶 置可赵指派至該ROM區域。 ll-lj '，該ROM區域及該RAM區域兩者可一如+冲 晶片中。 起在該 此外，在該組態之情形下，比較於先前技術令之具有一 日片及一 ROM晶片之該組態，可減少記憶體裝置及 電路。P分之類型，且可減少用於製造之遮罩的類型。藉 此，可減少枒料成本及製造成本。 本發明之該等實施例不限制於上述實施例，且在不偏離 本發明範_之情況下可採用其他各種組態。 本申睛案含有關於在2〇〇9年6月25日向日本專利局申請 之曰本優先權專利申請案JP2009-151515中所揭示之標 的’該案之全文以引用的方式併入本文中。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明之一實施例之一記憶體之一示意性組態圖 (一記憶體單元之一截面視圖 圖2係圖1中之—記憶體裝置之一示意性截面圖。 圖3展示該記憶體裝置之一所施加電壓與—裝置電阻之 間之關係。 圖4展示隨著所施加電壓的上升之該等記憶體裝置之該 裝置電阻之改變。 圖5係本發明之一實施例之該記憶體之一電路組態之一 示意性組態圖。 146338.doc •25· 201110435 【主要元件符號說明】 1 記憶體裝置 2 接觸層 3 佈線 4 源極區域 5 >及極區域 6 佈線 7 閘極 10 半導體基底 11 基座層 12 反鐵磁性層 ‘ 13 磁化固定層 14 鐵磁性層 15 非磁性層 16 鐵磁性層 17 穿隧阻障層 18 磁性自由層 19 頂蓋層 21 記憶體裝置 22 單元選擇電晶體 23 臨限值產生電路 24 寫入電壓產生電路 25 功能選擇位址解碼器 26 列位址解碼器 146338.doc •26· 201110435 27 行位址解碼器 28 感測放大益 Ml 磁化 M14 磁化 M16 磁化 SI 區域選擇信號 146338.doc -27-

Claims (1)

1. 201110435 七、申請專利範圍： 1. 一種記憶體，其包括： 複數個記憶體裝置，每一記憶體裝置包含一穿随磁阻 效應裝置，其包含 一磁化自由層’其中一磁化方向可反轉， 一穿隧阻障層，其包含一絕緣材料，及 一磁化固定層，其經由該穿隧阻障層相對於該磁化 自由層而具備一固定磁化方向； 一隨機存取記憶體區域，其中使用該記憶體裝置之該 磁化自由層之磁化方向記錄資訊；及 。 一唯讀記憶體區域，其中取決於是否存在該記憶體裝 置之該穿隧阻障層之崩潰來記錄資訊。 2_如吻求項1之5己憶體，其中該隨機存取記憶體區域中之 該。己憶體裝置及該唯讀記憶體區域中之該記憶體裝置係 容納於相同晶片内。 3.如凊求項1之記憶體，其進—步包括一電壓供應單元， =壓供應單元供應用於藉由將高於該穿隧阻障層之- 月/貝耐壓之-電壓施加於該唯讀記憶體區域中之該記憶 體裝置而引起崩潰之一電壓。 上月求項1之&己憶體，其進_步包括—電流供應單元， I >仏應單疋將—電流供應至該隨機存取記憶體區域 :之該記憶體裝置用於藉由自旋注人而藉由反轉該磁化 由層之該磁化方向來記錄資訊。 5·如請求項1之記憶體， /、進一步包括用於外部輸入資訊 146338.doc 201110435 之一輸入單元，其中回應於輸入至該輸入單元之該資訊 之内容，將該複數個記憶體裝置之某些記憶體裝置指派 至該隨機存取記憶體區域且將其他記憶體裝置指派至該 唯讀記憶體區域。 146338.doc