TW201505026A - 環形磁阻記憶體及其寫入方法 - Google Patents

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TW201505026A TW102125598A TW102125598A TW201505026A TW 201505026 A TW201505026 A TW 201505026A TW 102125598 A TW102125598 A TW 102125598A TW 102125598 A TW102125598 A TW 102125598A TW 201505026 A TW201505026 A TW 201505026A
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Jyh-Shinn Yang
Ching-Ming Lee
Te-Ho Wu
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Abstract

本發明係揭露一種環形磁阻記憶體，其包含一環形磁阻記憶元、一第一導線及一第二導線。第一導線定位於環形磁阻記憶元之一面並用以產生一第一磁場脈衝，第二導線定位於環形磁阻記憶元之另一面，且第一導線與第二導線垂直，第二導線用以產生一第二磁場脈衝，並且第二磁場脈衝與第一磁場脈衝具有一時間差。

Description

環形磁阻記憶體及其寫入方法
本發明是有關於一種磁阻記憶體，且特別是有關於一種環形磁阻記憶體及其寫入方法。
磁阻記憶體(magnetoresistive RAM，MRAM)是一種非揮發性(non-volatile)的記憶體，其擁有靜態隨機存儲器(SRAM)般高速讀取寫入能力，又具備動態隨機存儲器(DRAM)的高集成度。因此，磁阻記憶體成為未來記憶體最重要的發展方向之一。
磁阻記憶體可由記憶元(memory cell)構成，最簡單的記憶元為三層結構，依序分別為磁性層、間隔層、及磁性層。二磁性層之一擔任紀錄層，負責儲存資訊，此層又稱自由層。另一磁性層則稱為固定層或釘扎層，固定層或釘扎層的磁化方向保持不變。而中間的間隔層可為非磁性金屬層或絕緣體，非磁性金屬層可採用巨磁阻(GMR)元件，而絕緣體則可採用穿隧磁阻(TMR)元件。當紀錄層與固定層的磁化方向相同時，則記憶元的電阻較低，反 之若紀錄層與固定層的磁化方向相反時，則記憶元的電阻較高，因此利用電阻高低即可紀錄「0」或「1」的數位訊號。
又記憶元的幾何尺寸約為數十至數百奈米，外形一般為橢圓形，可利用形狀異向性來維持紀錄的穩定性。但由於橢圓形的記憶元會與鄰近的記憶元產生靜磁相互作用，導致記憶體的密度受到限制。為克服橢圓形記憶元的密度限制，現今更存在一種環形記憶元，其磁化若呈環流態(circulation state)時，邊界則沒有磁荷產生，不會與鄰近記憶元產生相互作用，可避免記憶體的密度受到周圍環境影響。因此，環形記憶元成為克服記憶體密度的首選。
然而，環形記憶元雖可提高紀錄密度，但如何將資訊寫入卻是需克服的技術難題。環形記憶元的磁化呈環流態時，通常利用其磁化的旋向(chirality)為順時針(Clockwise，CW)或逆時針(Counter Clockwise，CCW)來分別代表「0」或「1」。因此，如何以低耗能的方式改變磁化的旋向成為環形記憶元能否實用化的關鍵。
回顧目前MRAM的寫入方式，大致上可分為三種，分別為磁場寫入式、電流寫入式及熱輔助磁場寫入式(TA-MRAM)。磁場寫入是利用傳統的X-Y選擇(X-Y Selection)位址線路產生磁場以翻轉記憶元的磁化方向，但採用磁場寫入式的方式，當記憶元尺寸縮小時，需要的寫入磁場反而增大，不僅耗能，更可能導致元件燒毀。電流寫入式則是利用自旋偏極化電流(spin-polarized current) 對磁化產生「自旋轉移力矩」來翻轉磁化方向，但目前若採用電流寫入式所需的寫入電流仍然偏高，且製作記憶元所用的磁穿隧接面(MTJ)更需要非常高的工藝水準，因此不易製造且製造成本高昂。而熱輔助磁場寫入式則利用直流電流加熱磁穿隧接面後，使自由層的矯頑力下降，相較於前述兩種寫入方式，熱輔助磁場寫入式只需較小的寫入電流就可產生足夠的磁場。
針對MRAM的寫入方式，美國專利US6545906 B1提出「toggle」模式讓橢圓形記憶元的自由層方向翻轉。此專利中MRAM的自由層採用人工反鐵磁結構(synthetic antiferromagnet，SAF)，即二磁性層中夾一薄薄的釕(Ru)金屬，且橢圓形記憶元的長軸方向需與用以寫入的X-Y選擇位址線路的方向呈45度角。由此可知，此技術對於記憶體及寫入方式皆有限制條件，且需要特定製程來製造，間接限制了其可應用的範圍。
另外，Garnegie Mellon大學的Jian-Gang Zhu,Youfeng Zheng及Gary A.Prinz於2000年的研究提出(J.Appl.Phys.87,6668(2000))環形記憶元的寫入方法，此研究運用平面場(in-plane field)來控制環形記憶元的旋向。首先，將環形記憶元中心的空洞偏離中心位置，再在環形部位上作一小切口。然而此做法需大量仰賴製程上的技巧，有些可能要使用電子束微影技術(E-beam Lithography)才能達成，不僅製程困難、成本高昂、且良率較難提升。
由此可知，目前關於各種記憶體的製造技術及寫入 方式皆遭遇製程複雜、困難的問題，使得製造良率無法提升，成本也難以降低。
因此，本發明提供一種環形磁阻記憶體及一種環形磁阻記憶體的寫入方法，使得環形磁阻記憶體不僅可提高記憶元密度，更由於可採用傳統製程製造，而達到製程單純且良率高。
依據本發明之一態樣，提供一種環形磁阻記憶體，包含一環形磁阻記憶元、一第一導線及一第二導線，其中第一導線定位於環形磁阻記憶元之一面並用以產生一第一磁場脈衝，第二導線定位於環形磁阻記憶元之另一面，且第一導線與第二導線垂直，第二導線用以產生一第二磁場脈衝，並且第二磁場脈衝與第一磁場脈衝具有一時間差。
依據上述環形磁阻記憶體，其中環形磁阻記憶元可為巨磁阻式或穿隧磁阻式，環形磁阻記憶元的磁化狀態為環流態(circulation state)，其中第一磁場脈衝的磁場與第二磁場脈衝的磁場大小可相同且持續時間可相同。
依據本發明之另一態樣，提供一種環形磁阻記憶體的寫入方法，包含以下步驟。提供一第一導線於一環形磁阻記憶元之一面，並提供一第二導線於環形磁阻記憶元之另一面，其中第二導線垂直於第一導線，產生一第一磁場脈衝於第一導線，產生一第二磁場脈衝於第二導線，且第一磁場脈衝與第二磁場脈衝具有一時間差，使得環形磁阻 記憶元的旋向翻轉。
依據上述環形磁阻記憶體寫入方法，更可包含以下步驟，利用微磁學模擬，計算時間差、第一磁場脈衝的磁場大小及持續時間、以及第二磁場脈衝的磁場大小及持續時間。其中第一磁場脈衝作用於環形磁阻記憶元的方向為一第一磁場脈衝方向，第二磁場脈衝作用於環形磁阻記憶元的方向為一第二磁場脈衝方向，當第一磁場脈衝早於第二磁場脈衝，且自第一磁場脈衝方向至第二磁場脈衝方向為逆時針，則環形磁阻記憶元的旋向翻轉為逆時針。當第一磁場脈衝早於第二磁場脈衝，且自第一磁場脈衝方向至第二磁場脈衝方向為順時針，則環形磁阻記憶元的旋向翻轉為順時針。其中第一磁場脈衝的磁場與第二磁場脈衝的磁場大小可相同且持續時間可相同。
由上述可知，應用本發明之環形磁阻記憶體及環形磁阻記憶體寫入方法，只需採用傳統的X-Y Selection定址式環形磁阻記憶體再配合寫入方式即可，而寫入方式採用具有時間差的第一磁場脈衝及第二磁場脈衝，因此毋需變更製程，且由於製程簡單，因此良率較高。又由於應用本發明可採用環形的磁阻記憶元，因此相較傳統橢圓形的磁阻記憶元，應用本發明更可具備提高記憶元密度的優點。
100‧‧‧環形磁阻記憶元
110‧‧‧第一磁性層
120‧‧‧間隔層
130‧‧‧第二磁性層
200‧‧‧第一導線
300‧‧‧第二導線
S410~S430‧‧‧步驟
A‧‧‧第一電流脈衝
B‧‧‧第二電流脈衝
M1‧‧‧第一磁場脈衝
M2‧‧‧第二磁場脈衝
M1u‧‧‧作用於環形磁阻記憶元 之第一磁場脈衝方向
M2u‧‧‧作用於環形磁阻記憶元 之第二磁場脈衝方向
PA‧‧‧第一電流脈衝的電流方向
PB‧‧‧第二電流脈衝的電流方向
td‧‧‧時間差
tp‧‧‧持續時間
第1圖係繪示依照本發明一態樣之一實施方式的一種 環形磁阻記憶體的示意圖。
第2圖係繪示第1圖中環形磁阻記憶元的示意圖。
第3圖係繪示第1圖中環形磁阻記憶元的上視圖。
第4圖係繪示第1圖中電流方向為PA的第一電流脈衝與電流方向為PB的第二電流脈衝的波形圖。
第5A~5E圖係繪示第1圖的環形磁阻記憶元的磁化分佈狀態示意圖。
第6圖係繪示第1圖的環形磁阻記憶元的旋向對時間的變化圖。
第7圖係繪示依照本發明另一態樣之一實施方式的一種環形磁阻記憶體的寫入方法的流程圖。
請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施方式的一種環形磁阻記憶體的示意圖。環形磁阻記憶體包含一環形磁阻記憶元100、一第一導線200及一第二導線300，其中第一導線200定位於環形磁阻記憶元100之一面，第一導線200用以產生一第一磁場脈衝M1，其中第一磁場脈衝M1產生自一第一電流脈衝，第一電流脈衝的電流方向為PA，第二導線300定位於環形磁阻記憶元100之另一面，且第一導線200與第二導線300垂直，第二導線300用以產生一第二磁場脈衝M2，並且第二磁場脈衝M2與第一磁場脈衝M1具有一時間差，其中第二磁場脈衝產生自一第二電流脈衝，第二電流脈衝的電流方向為PB。又如第1圖所 示，當環形磁阻記憶元100位於第一導線200上方，則電流方向為PA之第一電流脈衝所形成的第一磁場脈衝M1作用於環形磁阻記憶元100的方向為一第一磁場脈衝方向M1u。當環形磁阻記憶元100位於第二導線300下方，則電流方向為PB之第二電流脈衝所形成的第二磁場脈衝M2作用於環形磁阻記憶元100的方向為一第二磁場脈衝方向M2u。
請參照第2圖，其繪示第1圖中環形磁阻記憶元100的示意圖。環形磁阻記憶元100為圓環形，且環形磁阻記憶元100可包含三層結構，三層結構依序分別為第一磁性層110、間隔層120及第二磁性層130。第一磁性層110及第二磁性層130的其中之一可擔任紀錄層而另一可擔任固定層，其中紀錄層藉由磁化方向的改變而負責儲存資訊，固定層的磁化方向則保持不變。間隔層120則可為非磁性金屬層，如巨磁阻(GMR)元件，或間隔層120可為絕綠體，如穿隧磁阻(TMR)元件。本實施例中，第二磁性層130作為固定層而以第一磁性層110作為紀錄層。
以第2圖為例，第二磁性層130作為固定層而磁化方向保持不變，第二磁性層130的旋向為逆時針方向(Counterclockwise，CCW)。當第一磁性層110的旋向為順時針方向(Clockwise，CW)時，其與第二磁性層130的旋向相反，使環形磁阻記憶元100的電阻較高；而當第一磁性層110的旋向為逆時針方向時，其與第二磁性層130的旋向相同，則使環形磁阻記憶元100的電阻較低。因此 利用改變第一磁性層110的旋向可改變環形磁阻記憶元100的電阻高低，以紀錄資訊「0」或「1」。同理，固定層的旋向可配合實際狀況而自行決定，不一定限於上述舉例，藉由改變紀錄層的旋向，使紀錄層的旋向相同或相異於固定層，就可控制環形磁阻記憶元100的電阻高低，以紀錄資訊。
接著說明如何利用第1圖的第一導線200及第二導線300而改變作為紀錄層的第一磁性層110的旋向。
請參照第3圖及第4圖，第3圖繪示第1圖中環形磁阻記憶元100的上視圖，其中第一磁性層110的旋向為順時針方向。第4圖繪示第1圖中電流方向為PA的第一電流脈衝A與電流方向為PB的第二電流脈衝B的波形圖。當先產生第一電流脈衝A，再產生第二電流脈衝B時，則第一電流脈衝A所產生的第一磁場脈衝M1先以第一磁場脈衝方向M1u作用於環形磁阻記憶元100，再由第二電流脈衝B所產生的第二磁場脈衝M2以第二磁場脈衝方向M2u作用於環形磁阻記憶元100，意即自第一磁場脈衝方向M1u至第二磁場脈衝方向M2u為逆時針時，也相當於第一磁場脈衝與第二磁場脈衝以逆時針順序作用於環形磁阻記憶元100時，則環形磁阻記憶元100的第一磁性層110的旋向可被改變為逆時針方向。同理，當第一磁場脈衝與第二磁場脈衝以順時針順序作用於環形磁阻記憶元100時，則環形磁阻記憶元100的第一磁性層110的旋向可被改變為順時針方向。
其中第一電流脈衝A的持續時間為tp且所產生的第一磁場脈衝的磁場大小為H，第二電流脈衝B的持續時間亦可為tp且所產生的第二磁場脈衝的磁場大小亦可為H，當第一電流脈衝A與第二電流脈衝B具有一時間差td。透過微磁學模擬，可計算出適當的(td,tp,H)組合，使得第一磁性層110的旋向翻轉。其中第一電流脈衝A與第二電流脈衝B可由設計者依據實際需求自行調整變化，只要使得所產生作用於環形磁阻記憶元100的第一磁場脈衝方向與第二磁場脈衝方向以逆時針方向或順時針方向產生時間差即可改變第一磁性層110的旋向為逆時針方向或順時針方向。另外，第一電流脈衝A之時間及大小與第二電流脈衝B之時間及大小不一定相同，只要使得第一磁場脈衝與第二磁場脈衝互相配合而可翻轉紀錄層的旋向即可。
微磁學模擬可採用模擬軟體進行，例如美國國家標準與技術研究所(NIST)發展的差分(finite difference)微磁學模擬軟體OOMMF(參考資料：http：//math.nist.gov/oommf/)，或開放源碼(open source)的有限元(finite element method)可平行計算之微磁學模擬軟體MAGPAR(參考資料：http：//www.magpar.net/)。在此提供本發明一實施例，其中當環形磁阻記憶元100的尺寸採用內直徑105nm、外直徑190nm且厚度2nm，利用上述二微磁學模擬軟體計算並交互驗證後，得到第一電流脈衝A與第二電流脈衝B的時間差td可為75皮秒(ps，1ps=10-12s)，持續時間tp可為225皮秒，第一電流脈衝A或第 二電流脈衝B所產生磁場大小H的範圍可為55~61mT，則可使得作為紀錄層的第一磁性層110的旋向順利翻轉。
請共同參照第1~4圖及第5A~5E圖，其中第5A~5E圖繪示上述實施例於上述時間差td=75ps、持續時間tp=225ps及磁場大小H=55~61mT時，第一磁性層110於各時間點的磁化分佈狀態示意圖，可看出第一磁性層110的旋向由一開始第5A圖的順時針方向翻轉至第5E圖的逆時針方向。
第5A圖的時間點為0ps，此時間點為第一磁場脈衝與第二磁場脈衝皆未產生前，此時間點第一磁性層110的旋向為順時針方向。
第5B圖的時間點為75ps，此時間點為第一磁場脈衝已產生75ps，而第二磁場脈衝即將產生。
第5C圖的時間點為225ps，此時間點為第一磁場脈衝剛結束，而第二磁場脈衝仍持續作用。
第5D圖的時間點為300ps，此時間點為第二磁場脈衝亦結束。
在300ps的時間點後第一導線200及第二導線300皆不再提供磁場，因此環形磁阻記憶元100的第一磁性層110在無外施磁場的狀況下開始馳豫(relaxation)，到第5ns時，如第5E圖所示，第一磁性層110的旋向已變成逆時針方向的狀態。
請參照第6圖，其繪示上述第5A~5E圖實施例中環形磁阻記憶元的旋向對時間的變化圖。其中可定義環形 磁阻記憶元100的第一磁性層110的旋向為： 並作歸一化後作圖可得第6圖。由第6圖可看出當300ps開始馳豫時，旋向已由一開始的負值(即順時針方向)變為正(即逆時針方向)。
請參照第7圖及上述說明，第7圖繪示依照本發明另一實施方式的一種環形磁阻記憶體的寫入方法的流程圖。環形磁阻記憶體的寫入方法，包含以下步驟，步驟S410提供一第一導線於一環形磁阻記憶元之一面，並提供一第二導線於環形磁阻記憶元之另一面，其中第二導線垂直於第一導線，步驟S420產生一第一磁場脈衝於第一導線，步驟S430產生一第二磁場脈衝於第二導線，且第一磁場脈衝與第二磁場脈衝具有一時間差，使得環形磁阻記憶元的旋向翻轉。
其中第一磁場脈衝的磁場與第二磁場脈衝的磁場大小可相等，第一磁場脈衝的持續時間與第二磁場脈衝的持續時間可相等，而第一磁場脈衝與第二磁場脈衝的時間差、磁場大小及持續時間可透過微磁學模擬計算而得。其中第一磁場脈衝作用於環形磁阻記憶元的方向為一第一磁場脈衝方向，第二磁場脈衝作用於環形磁阻記憶元的方向為一第二磁場脈衝方向，當第一磁場脈衝早於第二磁場脈衝，且自第一磁場脈衝方向至第二磁場脈衝方向為逆時針，則環形磁阻記憶元的旋向翻轉為逆時針。當第一磁場脈衝早於第二磁場脈衝，且自第一磁場脈衝方向至第二磁 場脈衝方向為順時針，則環形磁阻記憶元的旋向翻轉為順時針。
由上述本發明實施方式可知，應用本發明具有下列優點。
1. 不需改變製程：應用本發明的環形磁阻記憶體不需改變製程，只需搭配寫入方式即可達到改變旋向的目的。
2. 成本低而良率高：應用本發明的環形磁阻記憶體不需應用複雜的製程技術，因此製程成本低，且良率易控制而良率高。
3. 紀錄密度高：應用本發明的環形磁阻記憶體採用圓環型的磁阻記憶元，因此沒有傳統橢圓型磁阻記憶元會發生靜磁相互作用的限制，而可提高紀錄密度。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧環形磁阻記憶元
200‧‧‧第一導線
300‧‧‧第二導線
M1‧‧‧第一磁場脈衝
M1u‧‧‧作用於環形磁阻記憶元之第一磁場脈衝方向
M2‧‧‧第二磁場脈衝
M2u‧‧‧作用於環形磁阻記憶元之第二磁場脈衝方向
PA‧‧‧第一電流脈衝的電流方向
PB‧‧‧第二電流脈衝的電流方向

Claims (10)

  1. 一種環形磁阻記憶體，包含：一環形磁阻記憶元；一第一導線，其定位於該環形磁阻記憶元之一面，並用以產生一第一磁場脈衝；及一第二導線，其定位於該環形磁阻記憶元之另一面，且該第一導線與該第二導線垂直，該第二導線用以產生一第二磁場脈衝，並且該第二磁場脈衝與該第一磁場脈衝具有一時間差。
  2. 如請求項1之環形磁阻記憶體，其中該環形磁阻記憶元為巨磁阻式。
  3. 如請求項1之環形磁阻記憶體，其中該環形磁阻記憶元為穿隧磁阻式。
  4. 如請求項1之環形磁阻記憶體，其中該環形磁阻記憶元的磁化狀態為環流態。
  5. 如請求項1之環形磁阻記憶體，其中該第一磁場脈衝的磁場與該第二磁場脈衝的磁場大小相同且持續時間相同。
  6. 一種環形磁阻記憶體的寫入方法，包含以下步驟： 提供一第一導線於一環形磁阻記憶元之一面，並提供一第二導線於該環形磁阻記憶元之另一面，其中該第二導線垂直於該第一導線；產生一第一磁場脈衝於該第一導線；及產生一第二磁場脈衝於該第二導線，且該第一磁場脈衝與該第二磁場脈衝具有一時間差，使得該環形磁阻記憶元的旋向翻轉。
  7. 如請求項6之環形磁阻記憶體的寫入方法，其中該第一磁場脈衝的磁場與該第二磁場脈衝的磁場大小相同且持續時間相同。
  8. 如請求項6之環形磁阻記憶體的寫入方法，更包含以下步驟：利用微磁學模擬，計算該時間差、該第一磁場脈衝的磁場大小及持續時間、以及該第二磁場脈衝的磁場大小及持續時間。
  9. 如請求項6之環形磁阻記憶體的寫入方法，其中該第一磁場脈衝作用於該環形磁阻記憶元的方向為一第一磁場脈衝方向，該第二磁場脈衝作用於該環形磁阻記憶元的方向為一第二磁場脈衝方向，當該第一磁場脈衝早於該第二磁場脈衝，且自該第一磁場脈衝方向至該第二磁場脈衝方向為逆時針，則該環形磁阻記憶元的旋向翻轉為逆時針。
  10. 如請求項6之環形磁阻記憶體的寫入方法，其中該第一磁場脈衝作用於該環形磁阻記憶元的方向為一第一磁場脈衝方向，該第二磁場脈衝作用於該環形磁阻記憶元的方向為一第二磁場脈衝方向，當該第一磁場脈衝早於該第二磁場脈衝，且自該第一磁場脈衝方向至該第二磁場脈衝方向為順時針，則該環形磁阻記憶元的旋向翻轉為順時針。
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