TWI343574B - Method for switching magnetic moment in magnetoresistive random access memory with low current - Google Patents

Description

1343574 I7l87twf.doc/006 . 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明-般涉及-種寫人磁阻式隨機存 (MRAM)裝置的方法。 【先前技術】 已提出磁阻式隨機存取記憶體（MRAM)作為如靜 悲隨機存取記憶體（SRAM)、動態隨機存取記憶體 (DRAM )和快閃記憶體的常規記憶體裝置的一替代 # 物。MRAM使用一磁阻效應存儲資料，磁阻效應指其中 材料的電阻隨所述材料所承受的磁場而變化的現象。與 il些5規&己憶體相比，MRAM由於其速度快、集成密度 高、功率消耗低、耐輻射（radiation hardness)和耐久性 而是有利的。

Savtchenko等人的美國專利第6,545,906號揭示了一 種常規的MRAM和其寫入方法。美國專利第6,545,906 號的圖1-4、圖7-8、圖5-6在本文中分別再現為圖ι-g。 φ 圖1顯示一 MRAM陣列3的一記憶體單元10。記 憶體單元10夾在字線20與數位線30之間。字線20和 數位線30彼此正交，並包括導電材料使得電流可從其通 過0 記憶體單元】0包括一第一磁性區域15、一穿隧障壁 (tunneling barrier)16和一第二磁性區域17，其中穿隧障 壁16夾在第一磁性區域15與第二磁性區域17之間。第 一磁性區域15具有一合成反鐵磁（synthetic anti-ferromagnetic, SAF)結構並包括一個三層結構18， 6 1343574 17187twf.doc/006 反鐵磁搞合間隔層65夾在兩個鐵磁層45旬5 鐵磁搞合間隔層65具有—厚度86，且鐵磁層日= ^具有厚度w第二磁性區域17 刀 構w反鐵磁輕合間隔層66夹在兩個鐵磁層46旬^ :Μ:具 == 具有-厚度87，且鐵磁層46 層45和55反鐵_合，㈣磁層3 、 向里7與鐵磁層55的磁矩向量53彼此反平; =地’反鐵_合間隔層66的厚* ^ 15 ^ Γ 反平行。圖1還顯示磁性區域 “量：即鐵磁層45的磁矩向量57與鐵磁 =的磁矩向153的結合：和雜區域17的合磁矩向 量59的^兹層46的磁矩向量58與鐵磁層56的磁矩向 體單於字線2G和數位線3Q的方向的記憶 水=_〇中的磁矩。在圖2中，顯示字線20沿一X軸 構18二且顯不數位線％沿—y軸垂直運行。三層結 有兩個易軸，正x轴方向和正y轴方向兩者成 、正易軸（positive easy axis );和盥負x軸方尚沬 者成45。角的負易轴 产況"κΐ疋為在缺少外磁場或偏壓場（biasing fldd)的 钱—種各向異性材料的磁偶極矩的固有定向。因 声55t兹層45的磁矩向量57處於正易軸方向，且鐵磁 曰纟磁矩向量53處於負易轴方向。因此，磁性區域 1343574 17187twf.doc/006 15的合磁矩向量40處於正易軸方向或負易軸方向。圖2 顯示磁性區域15的合磁矩向量4〇處於負易袖方向。儘 管圖2中未顯示’但假設鐵磁層46的磁矩向量％處於 負易軸方向’鐵磁層56的磁矩向量59處於正易軸方向， 且磁性區域17的合磁矩向量5〇處於負易軸方向。 -般而言’磁性區域15為—自、由鐵磁區域（細 fer麵agnetic regi〇n)，且磁性區域17纟一釘紮鐵磁區 域（pmnedferrom卿eticregion)，即，當施加一外磁場 # 時，磁性區域15中的磁矩自由旋轉，而當施加一中等的 外磁場時，磁性區域17中的磁矩不旋轉。 穿_壁16的-電子㈣障壁和因此記憶體單元 〇的電阻隨磁場變化。例如，當鐵磁層55的磁矩向量 53與鐵磁層46的磁矩向4 58彼此平行時，穿随障壁π 具有-低電子穿隧障壁，且記憶體單元1()具有一低電 阻:當鐵磁層55的磁矩向量53與鐵磁層46的磁矩向量 彼此反平行時，穿隧ji手壁具有—高電子穿隨障壁， # *^記憶體單元10具有一高電阻。因此，通過改變磁性區 f 15的磁矩向量，可將—位㈣料存儲在記憶體單元1〇 中，其高和低電阻分別界定一位“丨，，或“0”，或相反。 一，了讀取記憶體單元10，可將一電壓施加於記憶體 早兀^0上’並感測通過其的電流。記憶體陣列3可包括 至少-具有與記憶體單元__結構的參考記憶體單 π。所述參考記憶體單元可具有以某— :=陣们的操作期間未改變的磁矩。可將施加於= 肢mo上的相同電壓施加於所述參考記憶體單元，並 1343574 (7(87twf.doc/006 感測通過所述參考記憶體單元的電流，且將所述電流用 作一參考電流。接著，將通過記憶體單元10的電流與參 考電流比較，且差異指示記憶體單元10是否具有存儲在 其中的“〇”或“1”。 提供於字線20和數位線30中的電流感應磁場。例 如，參考圖1和圖2，通過字線20的字電流60 (Iw )感 應字磁場80(Hw)，且通過數位線30的數位電流70(b) 感應數位磁場90 (HD)。磁場Hw和HD的強度分別與字 • 電流Iw和數位電流Id成比例。假設字線20在記憶體單 元10之上’且數位線30則在記憶體單元10之下。因此， 當字電流Iw為正時，Hw在記憶體單元10的平面中處於 正y軸方向；當數位電流ID為正時，HD在記憶體單元10 的平面中處於正X軸方向。 在磁場和HD下，鐵磁層45和55中的電子自旋 翻轉（稱為“自旋翻轉(spin flop)”），且磁矩向量57和53 可旋轉。因此，合磁矩向量40也旋轉，當合磁矩向量4〇 • 旋轉180°時’鐵磁層55的磁矩向量53和鐵磁層46的磁 矩向里58彼此反平行，且記憶體單元敍述為從“〇，，轉 換到“1”或從“1”轉換到“〇，，，這取決於如何界定“〇，，和“1”。 圖3顯示不同磁場Hw和Η〇下的三層結構18的模擬 轉換行為，其中由圖4中所示的序列1〇〇提供 的字電流Iw的脈衝和數位電流Id的脈衝產生。特定而/、 言，如圖4中所示，在時間t〇，^和Id均為〇 ;在^夺^ ti ’供應Iw ;在時間t2，也供應Id ;在時間〖3 、 在時間t4，也關閉Id。在圓3中，由為以奥斯特^二 9 1343574 I7l87twf.doc/006 磁場H\v的振幅 振幅。 且y軸為以奥斯特計的數位磁場 的 圖3顯示記憶體單元1G的三個操作區域 “非轉換，，區域92中，1# b中的-個或_較小，且在 =HD的相應的—個或兩個較弱。記憶體單元】 換狀態。 記憶體單it 1G的-第二操作區域稱為— 區域，其中1W和1D較大，且Hw和HD較強。當^序寫^ 施加時’ ^和lD直接寫入記憶體單元1〇。例如，如 果Iw和ID為正，那麼以序列1〇〇提供^和 ΐ: 口=〇’而不管記憶體單元的初始狀態 Γοο^：~ 肘位0寫入記憶體單元10。在 直接寫人的情況下，磁矩向量53與 40)之間的不平衡較顯著。 ^矩向置 二0和圖6 (a) '6 (〇說明直接寫入 6己1E體單7〇 1 〇的實例。 圖5 (a) _5⑷制通過施加一正字電流〜和一正 —=電流ID直接將T寫入具有初始狀態“〇”的記憶體單 凡的實例。假設鐵磁層55的磁矩向量53處於負易軸 方向’那，鐵磁層45的磁矩向量57處於正易軸方向， 向里53比磁矩向量57強。也假設鐵磁層46的磁 匕里58處於負易軸方肖，那麼鐵磁層％的磁矩向量 处於正易轴方向，且磁矩向量58比磁矩向量59強。 10 1343574 17187twf.doc/006 進一步假設，當鐵磁層55的磁矩向量53與鐵磁層46的 磁矩向量58彼此平行時，記憶體單元〗〇具有存儲在其 中的一位元0，且當鐵磁層55的磁矩向量53與鐵磁芦 46的磁矩向量58彼此反平行時，記憶體單元1〇且^ 儲在其中的一位元“1”。 、 子 如圖5 (a)所示，在時間t〇，鐵磁層45的磁矩向量 57處於正易軸方向。鐵磁層55的磁矩向量53處於負易 軸方向。因為假設磁矩向量53比磁矩向量57強，'所以 合磁矩向量40也處於負易軸方向。記憶體單元1〇 位元“0”存儲於其中。 參考，5(b) ’在時間tl提供字電流Iw，在正y轴 方向產生字磁場Hw。因為磁矩易於與外磁場對準以 一系統的能量，所以磁矩向量53和57肖於朝向〜的方 向（即，正y軸方向）旋轉。然而，由於鐵磁層Μ鱼 之間的反鐵磁搞合，且還由於磁矩向量53比磁矩向= 強的事實’所以磁矩向量53和57以順時針方向57 合磁矩向量40朝向外磁場的磁矩向量的方向 ’ 軸方向）旋轉。 正y 參看圖5 (c)，在時間提供正數位電流I ，" 在正x軸方向產生數位磁場HD。假設Hw#H’ ^古，而 的置值，那麼整個外磁場的磁場向量處於正^目同 由於上述相同原因，磁矩向量53和57以順時針方二、。 :::轉’且合磁矩向量40朝向外磁場的磁矩向量:方 1343574

17187twf.doc/006 正x軸方向僅具有—個分量， 好入路„ p hd。磁矩向量53和57 及合磁矩向置40進一步以順眸 王目Λ鲈垃、片τ： 汽f針方向旋轉。磁矩向量53 現在幸乂接近正易軸，且磁矩向| 矩向量40接近正,軸。里57_近負易軸。合磁 最後’如圖5 (e)所示，右 ID。外磁場為零。磁矩向量53 f二間t4也關數位電流 日士 m产“和57與易軸對準’因為在 日間t；4之刖’磁矩向量53 #技、a τ „ ,,......又接近正易軸，且磁矩向量57 車乂接近負易軸，所以磁矩向量 ,7 ώί . a ± ;里53與正易軸對準，且磁矩 準句話說’磁矩向量…從 ϋ圖5 (a)中的初始狀態旋轉了⑽。。結果，磁矩向 1 53與鐵磁層46的磁矩向4 %反平行，且將一位“！” 寫入記憶體單元1〇。 圖6⑷_6(e)說明直接將“！，，寫入具有初始狀態“i” 的冗憶體早/0 10的實例。如圖6 (a)所示，在時間， 磁矩向量53處於正易軸方向。磁矩向量57處於負易軸 方向。合磁矩向量40處於正易轴方向。記憶體單元1〇 使一位元“1”存儲於其中。 如圖6 (b)所示，在時間tl提供字電流w，從而在 正y軸方向產生字磁場hw。因為磁矩向量53較強，所 以將僅存在磁矩向量53和57的最小順時針旋轉。但是 合磁矩向量40朝向Hw逆時針旋轉。 如圖6 (c)所示，在時間t2提供正數位電流ί〇，從 而在正X軸方向產生數位磁場Hd。磁矩向量53和57以 丄 JH·：) J /叶 17187twf.d〇c/〇〇6 順時針方向旋轉 外磁場的磁場向旦：合磁矩向量40以處於正易軸方向的 里的方向旋轉。 如圖6 (cH & _ 在正X車由方向在時間t3關閉字電流1W。外磁場 進—步朝向個分量’即HD。合磁矩向量40 量53較接近正易!。因為在時間t4之前，磁矩向 以磁矩向量53^，且磁矩向量57較接近負易轴，所

朝向負易輪逆時=軸逆時針旋一 ^ 流Id時，磁所示，當在時間t4也關閉數位電 對準“士果矩=置53和57返回到其原始狀態並沿易車由 口:果，將—位元“1”寫入記憶體單元10中。

10中可2電流1一 1〇以將一位“0，，寫入記憶體單元 間，纪怜體的極性相反之外，在直接寫入一位“0，，期 和圖的行為類似於上文參看圖5(a)-5(e) 未加扩述）6 (e)所描述的那些行為，且因此在本文中 』田 >和ID更大且hw* hd更強時，如圖3所示， :己隐體單元10在-稱作“切換（toggle)，，區域97的第三 區，中f作。當以序列⑽提供較大正電流Iw和ID時’ :己k體單元】〇的狀態轉換，即一初始狀態“〇，，轉換為 “1”，且—初始狀態“1”轉換為‘‘〇、所述寫入方法稱為“切 換寫入”。在切換寫入的情況下，因為提供較強的 HD，所以磁矩向量53與57 (即，合磁矩向量40)之間 的不平衡不顯著或微弱。 i 13 1343574 17)87twf.doc/006 圖7 (a) -7 (e)說明切換寫入具有—初始狀態“Γ， 的記憶體單元10的實例。 如圖7 (a)所示，在時間t〇，鐵磁層55的磁矩向量 53處於正易轴方向。鐵磁層45的磁矩向量57處於負易 ^方‘微弱的合磁矩向量4G處於正易轴方向。記憶體 早兀10使一位元“1”存儲於其中。 如圖7(b)所示’在時間t]提供正字電流^，從而 在正y軸方向產生較強的字磁場Hw。因為Hwm強，所 以磁矩向量53和57順時針旋轉，且合磁矩向量4〇與 ^的方向大體對準。特定而言，磁矩向量Μ和57現在 4向X轴上方。 ^圖7(c)所示’在時間^提供正數位電心，從 f X軸方向產生較強的數位磁場％。磁矩向量” ^正/I順時針方向進—步旋轉，且合磁矩向量40與處 矩Θ旦^方向的外磁場的磁場向量的方向大體對準。磁 矩向里5 3現在處於f γ 平分線之間。磁矩向量之間的角的 y轴之間的角的平在處於正y轴與負“績正 在正電流1w。外磁場 向;對準 向量53和57進一步以順時針方 現在較接近正㈣。祕近負易軸。磁矩向量57 接著如圖7 (e)所示，在時間【4也關閉數位電流 1343574 17187twf.doc/006

Id。因為在時間t4之前，磁矩向 磁矩向量57較接近正易軸，所 j近負易軸，且 對準，且磁矩向量57與正易車° 與負易轴 寫入記憶體單元10中。 + 、，口果將一位元‘‘〇，， 當記憶體軍开、， 早凡10具有一仞始狀態“0”時，星古妒士丁 電k Iw和ID的切換寫入將一位〜有較大正 中。圖- ^ 寫記憶體單元 供iw和Μ，磁矩向量40、二提 磁矩的極性相反之外，在.切換 ’、·文化。除 單元】。的㈣類祕上文參看二—二1/間’記憶體 的那些行為，且因此在本文中未口加:。-7(6)所描述 因為在切換寫人朗’記憶體單元1()的狀離織a㈣ 化，所以在執行切換寫人之前必_取記㈣ 初始狀態，並將其與待寫入的狀態比較。如果初始狀^ 與待寫入的資料相同，那麼不需要切換寫入。如果初^ 狀態與待寫人的資料不同，那麼執行切換寫人。因此， 如與直接寫入相比，切換寫入需要額外的邏輯電路。然 而，因為當所述§己丨思體單元的狀態需要變化時，切換寫 入僅寫入一記憶體單元，所以切換寫入消耗較少的功率。 因為切換寫入需要較強的外磁場Hw和;HD，所以需 要較大的寫入電流。為減輕這一問題，Engel等人在美國 專利第6,633,498號中提出了調整磁性區域π的磁矩向 量5 0的量值以產生一邊緣(fringe)(或雜散(stray))磁場 作為三層結構18甲的一偏壓磁場hbias，使得僅較低的 磁場Hw* HD需要切換寫入記憶體單元10。美國專利第 15 1343574 I7187twf.doc/006

6,663,498號的圖4和圖5在本文中再現為圖9和圖1〇。 如圖9和圖1G所示’如果正〜和％用於寫入記憶體舉 元10 ’那麼處於正X轴方向與正y軸方向之間的方向的 偏壓磁場hb1as降低所需的Hw和％的值。類似地，如 果負hw^hd用於寫入記憶體單元1〇，那麼處於負X車由 方向與負y軸方向之間的方向的偏壓磁場HBIAS降低所驚 的Hw和HD的值。因此，需要較低的電流^和。。所 偏壓磁場HB1AS越強，電流^和1〇可越低。 然而，較強的HBIAS可導致寫入失敗。特定而言，卷 hbias較強時’鐵磁層45和55的末端域（end d⑽ 的磁化不酬，且記憶體單元⑴可能不能_寫入電沪 ^和1〇而轉換。圖11⑷-η⑷說明當HB1AS較強時 不能將—位“1”寫人具有初始狀態“〇”的記 k體早兀10中的實例。

，下=二(工,示在時間t〇時記憶體單元10的狀態。 在易軸方向產生一較強的。如圖n (a)所 因為較強的Hbias ’所以鐵磁層45和55的末端域中的 =rr矩向量57和53可逆時 罪近或通過y袖。接著，如圖u (b)所示

提供正字電流Iw，從而在正y軸方向 ^間I 為磁矩向量53接近正^且磁矩向量因 且Hw和HBIAS的結合處於正y軸與正 的 所以磁矩向量53和57進—步逆時針旋轉。如門圖的； :不，在時間t2提供正數位電流ID，從"二 產生數位磁場HD。相應地，磁軸量53和5^2^ 1343574 l7187twf.d〇c/006 4針方向旋轉。如圖11 (d)所示，在時間“，告 電流Iw時’磁矩向量53和57進一步以順時針方」子 現在磁矩向量53較接近負易軸，且磁矩向量π ^轉 正易軸。如@ 11 (e)所示，在時間t4，當也關閉= 立近 /泉ID時’磁矩向量53和57返回到如圖11 ( a ) j始位置。因此，由於較強的偏壓場Hbias，因此磁^巨向 董53和57在Hw的情況下以錯誤方向旋轉，且以 。 序列100提供1〜和1〇後，記憶體單元1〇不能轉^。， 當έ己憶體單元1〇按比例縮小且磁性區域和17很 小時’因為鐵磁區域15和17中的磁場的不規則性二 所以上述問題更糟。結果，難以將寫入電流和曰 到一令人滿意的水準。 w 【發明内容】 符合本發明的實施例，—種用於寫人— 存取記憶體（概趟）裝置的記憶體單元 ^执 在一第—方向提供—第—磁場；在-第二方向第 二磁場丄所述第二方向大體上與所述第—方向正交，·關 場；在—第三方向提供—第三磁場，戶斤述 二=第所述第一方向相反；關閉所述第二磁場;和 關閉所述苐二磁場。 η 發明的實施例，—種用於寫人—磁阻式隨機

LrAM)裝置的記憶體單元的方法包拉： 并俨二提供一第一磁場；在一第二方向提供〆第 二磁^所述第二方向讀上與所 交、 閉所述弟-磁場;在一第三方向提供一第三=所述 17 ^343574 >7187twf.d〇c/〇〇6 第广方向與所述第一方向相反；關閉所述第二礤場；在 —第四方向提供一第四磁場，所述第四方向與所述第二 - 方向相反；關閉所述第三磁場；和關閉所述第四磁場。 • 主符合本發明的實施例，提供一種用於寫入一磁阻武 心機存取記憶體（MRAM)裝置的方法。所述]ViRAM裝 置包括多個記憶體單元，每—個對應於多個字線中的〆 個和多個數位射的—個。寫人腿aM裝置的方法包技 • f過以下步驟寫人記憶體單元中的-方尚 提供—第—磁場；在—第二方向提供-第二磁場，所述 ^二方向，體上與所述第—方向正交；關閉所述第一磁 場二在一第二方向提供一第三磁場，所述第三方向與所 述第方向相反，關閉所述第二磁場；和關閉所述第三 磁場。 付合本發明的實施例，還提供—種用於寫入一磁阻 式隨機存取記憶體（MRAM)裴置的方法。所述MRAM «置包括多個記憶體單元，每—個對應於多個事線中的 一個和多個數位線中的一個。寫入Mram裝置的方法包 括通過以下步驟寫入記憶體單元中的一個：在〆第一方 向，供一第一磁場；在一第二方向提供〆第二破揚，/斤 述第一方向大體上與所述第—方向正交；關閉所述第一 磁場在一第三方向提供—第三磁場，所述第多方向與 所述第一方向相反；關閉所述第二磁場；在一第四方向 提供一第四磁場，所述第四方向與所述第二方向相反； 關閉所述第三磁場；和關閉所述第四^場。 符合本發明的實施例，一種用於轉換一磁陴武隨機 18 17187twf.d〇c/006 體★( MRAM )裝置的記憶體單元中的磁矩的方 = —方向提供—第―嵫場，其中所述第一方 體早兀所承受的偏壓磁場的方向形成-鈍角。 符口本發明的實施例，—種用於讀取—磁阻式隨機 ^取記憶體（MRAM)裝㈣方法包括：部分轉換一參 考，己憶體單元中的磁矩以產生—參考電流；測量一通過 二待讀取的記憶體單灿讀取電流；和比較所述讀取電 抓與所述參考Uj；^定待讀取的記憶體單元的狀態。 本發明的額㈣徵和優縣料地_於以下描述 中且邛/刀地從所述描述顯而易見，或可通過實踐本發 明而瞭解。本發明的特徵和優點將借助於賴權利要求 書中特定指出的要素和結合而實現並達到。 應瞭解，前述一般性描述和以下詳細描述均是示範 ί·生和解釋性的’且希望提供如所主張的對本發明的進一 步解釋。 【實施方式】 現在將洋細參看本發明的實施例，其實例在附圖中 5兒明。在可能的情況下，整個附圖中相同參考數字用於 指代相同或類似部分。 符合本發明的實施例，提供用於轉換具有低電流的 磁阻式隨機存取記憶體（MRAM)裝置的記憶體單元中 的磁矩的方法。還提供使用符合本發明的實施例的用於 轉換磁矩的方法用於寫入或讀取具有低寫入或讀取電流 的MRAM裝置的方法。 1343574 I7187twf.doc/006 圖12顯示包括一記憶體單元陣列的示範性MRAM |置200僅顯不§己憶體單元中的一個，記憶體單元搬。 MRAM裝置2〇()包括彡個g人位元線撕衫個寫入字 線,2〇r寫。入位線204與寫入字、線康彼此大體正交。每 -記憶體單it對應於—個寫入位元線綱和一個寫入字 線 206。 心體單το 202包括-釘紮磁性區域观、一自由磁 性區域210和一失在釘紮磁性區域208與自由磁性區域 21〇之間的穿隧障壁212。 舰^磁性區域施可包含—釘紮鐵磁體或一合成反 一 AF)結構。圖12顯示釘紫磁性區域施包含一 ’結構’其包括將反鐵磁耦合間隔· 218夾在 了間的兩個鐵磁層214和216。鐵磁層214和216可包含 只：士」鈷鐵(C〇Fe)、鎳鐵(NiFe)或鈷鐵硼(CoFeB)。 合間隔層218可包含（例如）釘（Ru)或鋼⑽。 合間隔層218的厚度使得鐵磁層214與216彼 此反鐵磁耦合。 搞入區域21〇可包含—saf，其包括將反鐵磁 辟;?οΓ曰224夹在中間的兩個鐵磁層220和222。鐵磁 :镇竹^ 222可包含（例如）麵鐵（c〇Fe)、姑鐵鐵c〇FeB) NiFe)。反_馬合間隔層224可包含（例如） r鐵磁^ ί銅（CU)。反鐵磁_合間隔層224的厚度使 與222彼此反鐵磁柄合。儘管圖12顯示自 域21〇僅包括三個層，但應暸解，也可使用一 二層以上的多層SAF結構。例如，自由磁性區域2Η) 20 1343574 17187twf.doc/006 可包含由耦合間隔層分離的三個或三個以上鐵磁層。 穿隧障壁212可包含（例如）氧化鋁（A10x)或氧 化鎂（MgO)。 另外’一反鐵磁層（anti-ferromagnetic pinning layer) 226、一緩衝層228、一底部電極230和一介電層232提 供於釘紮磁性區域208與寫入字線206之間。反鐵磁層 226可包含（例如）鉑錳（ptMn)或錳銥（MnIr)。緩 衝層228可包含（例如）鎳鐵（NiFe)、鎳鐵鉻（NiFeCr) 或鎳鐵始（NiFeCo)。上部電極234提供於自由磁性區 域210上，且介電層236提供於上部電極234與寫入位 線204之間。 反鐵磁層226固定住釘紮磁性區域208的一磁矩， 使得當施加一中等磁場時釘紮磁性區域2〇8的磁矩不旋 轉。相比之下，在外磁場的情況下自由磁性區域21〇的 磁矩自由旋轉。 穿隧障壁212的電子穿隧障壁和因此記憶體單元2〇2 的電阻隨磁場改變。例如，當鐵磁層216和22〇的各自 磁矩向量彼此平行時，穿隧障壁212具有一低電子穿隧 障壁’且記憶體單S 202具有一低電阻。當鐵磁層216 和220的各自磁矩向量彼此反平行時，穿隧障壁212具 有-尚電子穿随障壁，且記憶體單元2Q2具有一高電阻。 因此’記憶體單το 202可存儲由其電阻值界定的一位“]” 或“0”。例如，記憶體單元202的高電阻可表示一位“ i ”， 且記憶體單兀202的低電阻可表示一位τ，或相反。 1343574 17187twf.doc/006 MRAM裝置200退包括多個電晶體，每一個搞合到 所述&己憶體单元中的一個。特定而言，圖12顯示一耗合 到記憶體卓元202的底部電極230的電晶體238。MRAM 裝置200還包括柄合到記憶體單元的多個傳感放大器。 特定而言’圖12顯示一傳感放大器240，其耦合到記憶 體單元202的上部電極234以感測流過記憶體單元202 的電流，且還經耦合以感測通過一參考單元（未顯示） 的參考電流，以確定記憶體單元202的狀態。位址線（未 • 顯示），即字線或位線，耦合到電晶體的栅極和傳感放 大态以用於選擇所述記憶體單元中的一個。因此，為了 讀取存儲在記憶體單元202中的資料，啟動相應的字線 和位元線以選擇記憶體單元202 ,因此打開電晶體238， 將一電壓施加於上部電極234與底部電極23〇之間，且 通過傳感放大器240感測通過記憶體單元2〇2的電流。 儘官圖12顯示直接耦合到上部電極234的傳感放大器 240，但應瞭解傳感放大器24〇還可通過寫入位線耦 • 合到上部電極234,提供於介電層236中的導電插塞將寫 入位線204連接到上部電極234。 圖U為一說明當從頂部觀察記憶體單元2〇2時關於 ^入位το線204和寫入字線206的方向的記憶體單元2〇2 二的磁矩的平面圖。在圖13中，負#沿寫人位線204 勺正電流方向’且負χ軸沿寫入字線施❸正電流方向。 更具體地說’圖13中的正^處於沿圖12中所示的寫 =位線204的從左到右的方向，且圖13中的正X軸處於 沿圖12中所示的寫入字線施的從紙的平面中到紙的外 22 1343574 17187twf.doc/006 部的方向。在製造MRAM裝置200期間，可設置釘紮磁 性區域208和自由磁性區域210的易轴。假設釘紫磁性 區域208具有一與負X軸和負y軸成45。角的易轴EP， 且自由磁性區域210具有一與正X轴方向和正y軸方向 成約45°角的正易軸E+，和一與負X轴方向和負y軸方 向成約45。角的負易軸E-。在缺少外磁場的情況下，鐵 磁層214、216、220和222的磁矩向量與所述易轴中的 一個對準。特定而言，在圖13中，鐵磁層216的磁矩向 量A與易軸EP對準，且鐵磁層214的磁矩向量B與磁矩 向量A反平行。假設磁矩向量A具有一比磁矩向量B大 的量值。因此，釘紮磁性區域208的合磁矩向量C處於 EP方向。同樣，在圖π中，鐵磁層220的磁矩向量D與 易軸E-對準，且鐵磁層222的磁矩向量E與易軸E+對準。 假設磁矩向量D具有一比磁矩向量E大的量值。因此， 自由磁性區域210的合磁矩向量F處於E_方向。還將磁 矩向量A-F標注於圖12中的相應部分上。應暸解，表示 圖12和圖13及以下圖式中的磁矩向量A-F的箭頭線僅 顯示磁矩向量的方向，而不指示其相對強度。 提供到寫入位線204和寫入字線206的電流感應外 磁場’且其間的關係顯示於圖12和圖13中。通過寫入 位線204的字電流Iw感應一字磁場Hw，且通過寫入字 線206的數位電流ID感應一數位磁場hd。磁場Hw和 的強度分別與字電流Iw和數位電流ID成比例。假設寫入 位元線204在記憶體單元202上方，且寫入字線206在 記憶體單元202的下方。因此，如圖13中所示，當字電 23 1343574 17187twf.doc/006 正⑽，處於貞當數位電流1D為 白）時，Hd在記憶體單元202的 千面中大體上處於正x軸方向。為說明方便起見，在以 =述和附圖中，感應的外磁場敍述為或顯示為處於正 或負x軸或y軸方向。應瞭解，所述感應的外磁場可處 於或可不處於正或負x軸或y軸方向。

、如以上參看圖7(0_7(6)和8(3)_8(6)所描 述’通過以圖4中所示的序歹,j 100提供字電流^的脈衝 和數位電流iD的脈衝，鐵磁層220和222的磁矩向量D 和E可旋轉，且記憶體單元2〇2可被切換寫入。另外， 如Engel等人所提出，可通過調整釘紮磁性區域2〇8的磁 矩向1 C產生偏壓磁場HBIAS ’借此允許較低的寫入電流 Iw和ID。然而，如上所注意，在一強偏壓磁場的情況下 切換寫入可能失敗，且僅可使用相對較弱的偏壓磁場， 並仍需要較大的寫入電流。特定而言，如果偏壓磁場H B i A s 處於正x軸方向與正y軸方向之間的方向，那麼當施加 '正子電流時，鐵磁層220和222的磁矩向量和e 可以錯誤方向旋轉。 一種符合本發明的第一實施例的用於轉換MRAM記 憶體單元的磁矩的方法通過臨時感應一部分地偏移Η B! A S 的外磁場（即，外磁場的方向與H{31AS的方向形成一鈍角） 避免由一強Hbias導致的上述問題。圖14 (a) -14 (d) 為對符合本發明的第一實施例的用於轉換磁矩的方法的 解釋。 24 1343574 17187twf,doc/006 曰圖14 (a)顯示當存在一強偏壓磁場Hb1as時的磁矩 向量和E。假設Hbias大體上處於E+方向。結果，磁 矩向量0和E可逆時針旋轉，並分別靠近或通過y軸。 如圖14 (b)中所示且符合本發明的第一實施例’將 ^字電流提供於寫入字線206中，在負X軸方向中感 ’v«子兹每Hw。部分地偏移HB1AS，所結合的磁矩He

;w與Hb丨as之間的一方向。一方面，Hw可以正X 車由方向元全偏移HB1As的一分量’使得hc處於正y軸方 =°作為Hw的結果，磁矩向量D和e都順時針旋轉並 靠近易軸E+和E。 接著’可遵循用於旋轉磁矩向量D和E的常規步驟。 例如’如圖14 ( e)所示，如果磁矩向量需要順時針旋轉， 那麼可提供一正數位電流來感應在正y軸方向（即，與 hbias成約45。角）的數位磁場hd。 常規步驟開始後，可中斷負字電流。例如，在圖14 (d)中，中斷負字電流之後，磁矩向量D和E進一步順 時針旋轉，這為施加正字電流的所要的結果。 因此，通過臨時偏移偏壓磁場HBIAS，避免了與強 Hbias相關聯的上述問題。 在圖14 (b)中，假設Hw處於負X軸方向，且因此 與hbias成約135。角。然而，應瞭解，通過（例如）提供 寫入位線204和寫入字線206中的電流的結合，hw的方 向可與HB1As成任何鈍角。 當記憶體單元的磁矩向量需要旋轉時，可應用符合 25 I7187twf.doc/006 實施例的用於轉換磁矩的方法以在存在強 -“丨Γ 1?的情況下存取一 MRAMS置的記憶體單 :二口士付合本發明的第二實施例’可應用符合本發 明的第一貫施例的方法以切換寫人―缝鳩裝置，借此 允。十㉟偏壓磁場進—步降低寫入電流並減少功率消 耗0 付a本兔月的第—貫施例，提供三個連續電流脈衝 以寫入MRAM的記細單元，同時㈣記憶體單元處 於:強偏_場下。例如，假設MRAM裝置細的記憶 體单几202處於一正易輪E+方向的強偏壓磁場Η_下， 那麼可供應包括兩個數位電流脈衝和―個字電流脈衝的 二個電流脈衝以切換寫入記憶體單元2〇2。圖15顯示三 個電流脈衝的時間關係。特定而言，在時間砣，不提供寫 入電流。在時間b，提供一負字電流IW1。在時間t2，提 供一正數位電流ID。在時間h ’關閉Iwi並提供一正字電 流IW2。在時間％，關閉iD。在時間t5，關閉丨化。一方面， 1〜1與1以2具有大體上相同的量值。另一方面，Iw]具有一 獨立於IW2的適當量值。 圖16 (a) -16 (e)說明使用符合本發明的第二實施 例的方法切換寫入記憶體單元202的一實例。圖16 (a) -16(e)分別顯示僅鐵磁層220和222的磁矩向量〇和E 的位置。應瞭解，在圖16 (a) -16 (e)中表示磁場的箭 頭線僅顯示所述磁場的方向，並不指示其相對強度。 圖16 (a)顯示在時間t〇記憶體單元202的狀態。由 於強HB1AS，鐵磁層220和222的末端域中的磁化可能不 26 17187twf.doc/006 規則使得其磁矩向量D _ 通過y軸。 < f針旋轉且分別靠近或 如圖16(b)㈣， 在負X軸方向（即，與 B 1 ’提供負字電流Iwi ’ HW1。換句話說，H二_成135°角）產生一字磁場 置D和E順時針旋轉並 HB1AS。結果，磁矩向 如圖16 (c)所示，在時：轴:戟。 從而在正y輪方向產生 B 2 ’提供正數位電流Id，

進一步以順時針方向旋轉數位磁場Hd。磁矩向量D和E 如圖16 (d)所示，在時門f 並提供正字電流 _負字電流Iwi， HW2。磁矩向而在正X軸方向產生一字磁場 如圖16(=進^ 磁矩向量D和E進—牛時間t4，關閉數位電流ID，且 接近正易轴E h y順時針旋轉。現在磁矩向量D較 E+方向’且磁矩向量£較接近負 方向。 如圖16 (π邮-. 磁矩向量Ι)|σ p / ’㈣Μ & ’也義正找流—。 前因為在輸之 接近負易軸^方向、由e+方向，且磁矩向量£較 方向的位置，且磁矩矩向量d位於接近正易軸艮 置。換句話說，於接近負嫩方向的位 向量轉換：立1:(3 7示的日_。相比，磁矩 轉換。換了位置’且S己憶體單元202的狀態成功 元可使用以上所描 MRAM裝置2〇〇❺其他記憶體單 27 1343574 17l87twf.doc/006 述的相同方法寫入。 符合本發明的第二實施例’通過首先施加一負字磁 場HW1以部分地偏置HB1AS，借此導致磁矩向量D和E 順時針旋轉，磁矩向量D和E在IW1、ID和iW2下繼續順 時針旋轉。因此’甚至當施加較小寫入電流IW1、ID和IW2 時，也避免了由強偏壓場HB1AS所導致的磁矩向量以錯誤 方向旋轉的問題。 符合本發明的第三實施例’提供四個連續電流脈衝 以寫入一 MRAM的一記憶體單元’其中所述記憶體單元 處於強偏壓磁場下。例如，如果MRAM裝置200的記憶 體單元202處於正易軸E+方向的一強偏壓磁場hb1as下， 那麼可供應包括兩個數位電流脈衝和兩個字電流脈衝的 四個電流脈衝以寫入記憶體單元2〇2。圖π顯示四個電 流脈衝的時間關係。特定而言，在時間t〇，不提供寫入電 流。在時間，提供一負字電流Iwi。在時間t2，提供一 正數位電流iD1。在時間t3，關閉Iwi並提供一正字電流 IW2。在時間t4，關閉1D!並提供一負數位電流ID2。在時 間t5 ’關閉1W2。在時間t6，關閉ID2。一方面，ID1與ID2 具有=體上相同的量值m Id丨具有—獨立於^ 的適當1值。一方面，Iwi與Iw2具有大體上相同的量值。 另一方面’ lwi具有一獨立於Iw2的適當量值。 圖18 (a) -l8 (g)說明使用符合本發明的第三實施 例的方法切換寫人記憶體單元2G2的_實例。圖18⑷ -18(g)分別顯示僅鐵磁層22〇和222的磁矩向量〇和£ 的位置。應瞭解’在圖18⑷]8⑷巾表示磁場的箭 28 1343574 17187twf.doc/006 強度。 頭踝僮 圖π U)顯示在時間t0記憶體單元2〇2的度。 於強Η麵，鐵磁層22〇和222的末端抒中的狀態。由 規則使得其磁矩向4 D m域中—化可能不 通過y軸。心D#°E可叫針旋似分別靠近或

在時間tl 予磁場Η 如圖18 (b)所示， 從而在負X幸由方向產生一 和E順時針旋轉。 ’提供負字電流^,， wi。結果，磁矩向量〇 如圖18(c)所示，在時間^，提供正數位電流I， 從而在正y軸方向產生— 'D1

/生王数位磁％ HD丨。磁矩向蕃d夺〇 F 進一步以順時針方向旋轉。 、θ 口圖(d)所示，在時間t3，關閉負字電流Iwi， 並提供正字電流1W2 ’從而在正X軸方向產生-數位磁場 Hw2。磁矩向量D和E進—步順時針旋轉。

如圖18 (e)所示，在時間t4，關閉正數位電流ID1 並提供負數子電流ID2，從而在負y軸方向產生一數位磁 場HD2。結果，磁矩向量D和E進一步順時針旋轉。現 在磁矩向虿D較接近正易軸E+方向，且磁矩向量E較接 近負易軸E_方向。 如圖18 (f)所示，在時間t5，關閉正字電流Iw2。 因為正X軸方向的磁場較弱’磁矩向量D和E分別朝向 y軸旋轉。磁矩向量D仍較接近正易軸e+方向，且磁矩 向量E已移動到較接近負易軸£方向。 如圖18(g)所示’在時間t6，也關閉負數字電流Id2。 29 1343574 I7187twf.doc/0〇6 磁矩向量D和E稍微逆時針旋轉’但因為在時間t6之前， 磁矩向量D較接近正易軸E+方向，且磁矩向量E較接近 負易軸E_方向’所以磁矩向量D位於接近正易軸E+方向 的位置，且磁矩向量E位於接近負易軸E_方向的位置。 換句話說’與圖18 (a)中所示的時間t〇相比，磁矩向量 D和E轉換了位置，且記憶體單元202的狀態成功轉換。 MRAM裝置200的其他記憶體單元可使用以上所描 述的相同方法寫入。 與本發明的第二實施例相比’本發明的第三實施例 進一步提供一負數位電流Id2以進一步順時針旋轉磁矩向 量D和E。結果，磁矩向量D和E移動到較接近各自的 易軸’借此進一步減小寫入失敗的可能性。因此，符合 本發明的第三實施例，寫入電流iwl、ί⑴、Iw2和Id2可甚 至比本發明的第二實施例所要求的寫入電流〗w ι、丨d和j w2 中間值（intermediate value)，即

符合本發明的實施例，還提供用於轉換磁矩以讀取 一 MRAM裝置中的記憶體單元的方法。特定而言，首先 通過部分轉換-選定的參考記憶料元_矩並感測 通過所述參考a憶體單元的電流而擭得—參考電流。例 如，參看圖12和圖13，如果部分地轉換磁矩向量0和E =磁矩向量D與絲Ε+#σΕ成約㈣，且因此也與 j向量Α成約90。角，那麼記憶體單元搬㈣阻呈有 ’即，一當磁矩向量D平 元202的參考電阻但當 時低於記憶體單元202 30 1343574 I7187twf.doc/006 的參考電阻的值。因此，當將一電壓施加於記憶體單元 202上時’穿過其的〆電流也具有一中間值並可用作一參 考電流。通過比較穿過一記憶體單元的讀取電流與所述 參考電流，可確定所述記憶體單元的狀態。 以下參看圖19和圖2〇 ( a ) -20 ( f)描述符合本發明 的第四實施例的讀取MRAM記憶體單元的實例，其說明 以選定為參考記憶體單元的記憶體單元2〇2產生參考電 流。 圖19顯示符合本發明的第四實施例的施加到用於產 生參考電流的記憶體單元202的三個電流脈衝的時間關 係。特定而言，在時間t〇，不提供電流。在時間ti，提供 —負字電流IW1。在時間，提供一正數位電流Id。在時 間h，關閉IW1並提供一正字電流IW2。如以下所討論， 圖19中的時間t；4指示感測參考電流的時間點。在時間t5, 關閉IW2。在時間t6，關閉ID。IW1與1心可能或可能不具 有大體上相同的量值。 圖20 (a) -20 (e)分別說明當施加圖19中的三個 電流脈衝時鐵磁層220和222的磁矩向量D和E的位置。 圖2〇 (a)顯示在時間t〇記憶體單元202的狀態。假設偏 壓磁場ΗΒΙΛ8通過調整釘紮磁性區域208的磁矩向量C產 生。作為HBIAS的結果，磁矩向量D和Ε可逆時針旋轉 且分別靠近或通過y轴。

如圖20 (b)所示，在時間tl，提供負字電流Iwl， 從而在負X軸方向產生一字磁場HW1。結果，磁矩向量D 31 1343574 17187twf.doc/〇〇6 和E順時針旋轉姐分別靠近易軸e.和E+。 如圖20 (c)所示，在時間t；2，提供正數位電流1〇， 從而在正y軸方尚產生一數位磁場Hd。磁矩向量〇和E 進一步以順時針方向旋轉。 如圖20 (d)所示，在時間h，關閉負字電流Iwi， 並k供正子電流lw2 ’攸而在正X轴方向產生一字磁場 HW2。磁矩向量D和E進一步順時針旋轉，且均與易軸 鲁 E+和E-成約9〇。角。 接著，在時間t4且在圖式中未顯示，通過記憶體單 元202的電流被感測為參考電流。 一 如圖20 ( e)所示，在時間，關閉正字電流Iwi。 結果，磁矩向量D和E逆時針旋轉。現在磁矩向量〇較 接近負易軸E-方向’且磁矩向量E較接近正易軸E+方向。 如圖20 (f)所不，在時間k，也關閉數位電流圮。 磁矩向量D和E位於接近易軸的方向。因為在時間。之 φ 岫，磁矩向量D車父接近負易軸E-方向，且磁矩向量E較 接近正易軸E+方向’所以磁矩向量£>和E返回到如圖2〇 (a)所示的其在時間t〇的各自位置。 在時間U獲得的參考電流接著可用於與通過待讀取 的記憶體單元的電流相比較。如果通過待讀取的記憶體 單元的電流小於所述參考電流，那麼可確定待讀取的記 憶體單元使—位元“1，，雜於其+，從·設記憶體單元 202的高電阻表示—位“!”。如紐過待讀取的記憶體單 元的電流大於所述參考電流，那麼可確定待讀取的記憶 32 1343574 I7l87twf.doc/〇〇6 體單元使一位元“0”存儲於其中。記憶體單元202也可通 過在時間t6後感測通過其的電流並將所感測的電流與參 考電流比較來讀取。 在符合本發明的第四實施例的方法的實例的以上描 述中’假設存在一偏壓磁場HmAS。應瞭解，符合本發明 的第四實施例的方法並不僅限於此D例如，如果缺少 HBIAS，那麼負字電流IW|可為不必要的，且僅需要正數 位電流ID和正字電流IW2。還應瞭解，磁矩向量D和E 無須與易軸E+和E_成約90。角來測量所述參考電流。確 切地說’假如當一記憶體單元使一位元“0”或“1 ”存儲於其 中時’參考電流大體上不同於通過所述記憶體單元的讀 取電流’那麼磁矩向量D和E可與易轴成任意角來測量 所述參考電流。此外，應瞭解，除圖19和圖20 (a) -20 (f)中所示的方式外’可以任何方式將電流提供到寫入 位線204和寫入字線206，只要磁矩向量D和E旋轉到 用於測量參考電流的所要方向。 在本發明的實施例的以上描述中，為了方便起見， 假設當從頂部觀察記憶體單元202時，以一方式提供電 流以用於磁性層220和222的磁矩向量D和E順時針旋 轉。然而，應瞭解，磁矩向量D和E可以兩個方向旋轉。 例如’也符合本發明的第一實施例，可提供一負數位電 流’隨後提供一正字電流，以用於磁矩向量D和E成功 地逆時針旋轉。也符合本發明的第二實施例，用於寫入 記憶體單元202的三個電流脈衝可包括連續提供的一負 數位電流、一正字電流和一正數位電流。也符合本發明 33 丄叫574 17187twf.doc/006 2弟二貫施” ’用於寫入記憶體單元2。2的四個電流脈 衝可已括連續提供的—負數位電流、_正字電流、一正 數位電流和-負字電流。也符合本發明的第四實施例， 所述三個脈衝可包括—減位電流、_正字電流和一正 數位電流，關閉正數位電流之後關閉正字電流。 在以上描述中，假設易軸E+和E-與x軸和y軸成約 45。角。然而，應瞭解，所述易轴無須與χ軸和y軸成一 • 特疋角，但確切地說可與X軸或y軸成任意角。所屬領 域的技術人員現在應瞭解可相應地修改符合本發明的實 %例的方法。例如，符合本發明的第二實施例，當自由 磁性區域的易軸與字線和數位線成隨機角度時，可提供 二個連續電流脈衝以寫入一記憶體單元，其中所述三個 脈衝中的母一個為字電流和數位電流的結合，而非單獨 的字電流或數位電流。對於另一實例而言，符合本發明 的第三實施例，當自由磁性區域的易軸與字線和數位線 成隨機角度時，可提供四個連續電流脈衝以寫入一記憶 • 體單元’其中所述四個脈衝中的每一個為字電流和數位 電流的結合。 還應瞭解，符合本發明實施例的方法不僅適用於具 有與記憶體單元202或]y[RAM裝置200相同的結構的記 憶體單元或記憶體裝置，還適用於寫入MRAM裝置，其 中一記憶體單元具有一包含一單層自由磁性層或（如上 所述）三層以上的自由磁性區域。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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 34 U43574 17IS7twf.doc/006 精神圍内，當可作些許之更動與潤飾，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 【圖式簡單說明】 圖】顯示一常規磁阻式隨機存取記憶體（MRAM) 裝置的記憶體單元。 圖2說明圖1的記憶體單元中的磁矩。 圖3說明圖】的記憶體單元的模擬轉換行為。‘ 圖4顯示用於寫人圖】的記憶體單元 脈衝的序列。 圖5 (a) (e)說明直接寫入圖1的記憶體單元的 一實例。 圖6 (a) _6 (e)制直接寫入圖j的記憶體單元的 另一實例。 —圖7 (a) -7 (e)說明切換寫入圖！的記憶體元的 一貫例。 f18 (a)(e)說明切換寫人圖1的記憶體單元的 另一實例v 圖9和圖IG說明—偏壓磁場對切換寫人圖！的記憶 體早7L的影響。 的常=:)問:(e)說明切換寫入圖1的記憶趙單元 ㈣符合本發明的實施例的方法存取 圖13說明圖12的記憶體單元中的磁矩。 圖14 (a) _14 (d)說明符合本發明的第一實施例的 35 1343574 J7JS7twf.doc/006 轉換圖】2的記憶體單元中的磁矩的—實例。 圖】5說明符合本發明的第 12的記憶體單⑽電流脈衝的序列。，的用於寫入圖 圖16 (a) -16⑺說明符合本發 — 切換寫入圖12的記憶體單元的—實例。$弟一貫施例的 圖顯示符合本發明的第三麻 U的記憶體單元的電流脈衝的序歹卜匕歹1的用於寫入圖 圖18 (a) -18 (g)說明符合本發 — 切換寫入圖12的記憶體單元的—實例。〇弟二貫施例的 圖〗9顯示符合本發明的第四每 於讀取MR AM裝置中的辦體| 1例_於產生待用 衝的序列。 早Μ參考電流的電流脈 圖2〇(a)，2〇⑴說明符合 -例 使用圖12的記憶體單元產生一全土&月的第四實施例的 【主要元件符號說明】 ，考電流的-實’ 3 : MRAM陣列 :記憶體單元 15 :第一磁性區域 16 17 18 20 50 45 穿隧障壁 第二磁性區域 19 :三層結構 30 :字線 40、53、57、58、59 . ^ 乃.磁矩向晋 46、55、56 :鐵磁層 6〇 :字電流 36 1343574 17187twf.doc/006 65、66 :反鐵磁耦I合間隔層 70 :數位電流 8 0 .字磁場 41、42、51、52、86、87 :厚度 90 .數位磁場 92、97 :區域 200 : MRAM 裝置 202 :記憶體單元 204 :寫入位元線 206 :寫入字線 208 :釘紮磁性區域 210 :自由磁性區域 212 :穿隧障壁 214、216、220、222 :鐵磁層 218、224 :反鐵磁耦合間隔層 226 :反鐵磁層 228 :緩衝層 230 :底部電極 232、236 :介電層 234 :上部電極 238 :電晶體 240 :傳感放大器 t、t〇、t]、…、t4、t5、t6 :時間

Hbias :偏壓磁場 EP :易軸 37 1343574 17187twf.doc/006 E+ :正易轴 E-:負易軸 He； ·磁矩 IW2 :正字電流 Iwi :負字電流 Hwi、Hy/2 ·字磁場 ID1 :正數位電流 ID2:負數位電流 鲁 Hdi、Hd2 .數位磁場 A、B、...、F :磁矩向量 Iw .字電流 H w ·字磁場 Η〇 .數位磁場 Id :數位電流 38

Claims (1)

1. i-QO-i-JJ. 十、申請專利範園： 怜—種用於寫人雜式隨機存取記憶體裝置的記 U菔早TL的方法，其包含： 在—第—方向提供一第一磁場； 在提供該第—磁場之後，在—第二方向提供二 琢’戶:迷第二方向大體上與所述第一方向正交； 在提，該第二磁場之後’關閉所述第一磁場； .磁場，所述第三方向與所 在—第三方向提供一第 ， 述第一方向相反； 關閉所述第二磁場；和 關閉所述第三磁場。 如申請專利範圍第1項輯的用 己憶體Ϊ置的記憶體單元的方法，其進= 述°己憶體單元承受一偏壓磁場，其中. 壓磁場的-方 方向的-壓磁場峨 隨機存取記憶體裝置於寫入磁阻式 含使所述記憶體單元承受:偏墨磁：方二’其進， 提供所述第-磁場包含以— 向她。的角度提供所述第—磁=㈣的-方 提供所述第二磁場包合 方向成約㈣肢_^=^㈣場的所述 39 Η 1. \7 r 100-1-17 隨機存取關第1項所述的用於寫入磁阻式 憶體單元ί^ΓίΪ的記憶體單元的方法，其中所述記 自由性區域、—釘紫磁性區域和所述 壓磁以=域在所述自由磁性區域中產生-偏 域的-易==於一大體上與所述自由磁性區

   =:述偏壓磁場的，心 憶體單元對應m人線和 中所述記 與所述第二寫入線大體上彼=線且= 場包和提供所述第三磁 …在所述第一和第二寫入線中提供電流。

   隨機:取===?所述的用於寫人磁阻式 憶體單元對二記 —“線與所述第二寫人線大體上^ 提供所述第一磁場包含在所述第一寫入線十供一 第一電流； ’、 ^提供所述第二磁場包含在所述第二寫入線中提供一 第二電流；且 /、 一提供所述第三磁場包含在所述第一寫入線中一 第三電流。 〃 40 1343574

   7·如申請專利範圍第1項所述的用於寫入谈卩旦式 隨機存取記憶體裝置的記憶體單元的方法，其中提供所 述第二磁％包含提供所述第三磁場以具有一與所述第/ 磁場大體上相同的量值。 8* 一種用於寫入磁阻式隨機存取記憶體裝置的記 憶體單元的方法，其包含： 在一第一方向提供一第一磁場；

   在挺供该第一磁場之後，在—第二方向提供〆第二 磁％，所述第一方向大體上與所述第一方向正交； 在提供该第二磁場之後，關閉所述第一磁場； 在一第三方向提供一第三磁場，所述第三方向與所 述第一方向相反； 關閉所述第二磁場； 在-第四方向提供-第四磁場，所述第四方向與所 述第二方向相反；

   在提供該第四磁場之後，關閉所述第三磁場；和 在關閉該第三磁場之後，_所述第四磁場。 思機存取㈣u裝置的記憶體單元的方法，— 合使所述記憶體單元承受—偏壓磁場，其巾： v c 提供所述第-磁場包含以—觸述驗磁 向成大於90。的角度提供所述第—磁場，且 一方 10.如申請專利範圍第8項所述的用於寫八 提供所述第二磁場包含以—鱼 方向成小於90°的角度提供所述第二磁場 每的所述 礤阻式 41 P通機存取記憶體裝置的記憶體單元的方法，其進一少包 各使戶:述。己憶體單元承受―偏壓磁場，其中： w t、所述第—磁場包含以—與所述偏㈣場的，方 向成1 135。的角度提供所述第—磁場，且 ，供所述第二磁場包含以—與所述偏壓磁場的所述 方向成約45。的角度提供所述第二磁場。 碑她I*1如巾晴專利範圍第8項所述的用於寫入磁P且式 二Γ取，憶體裝置的記憶體單元的方法，其中所述記 ^早7CG括-自由磁性區域、—釘紮磁性區域和所述 2磁性區域與所述釘紮磁性區域之_-穿隨障壁， 述釘紮磁性區域在所述自由磁性區域中產生一偏 ’所述偏壓磁場處於—大體上與所述自由磁性區 jl 一^易轴相同的方向’且其中提供所述第-磁場包含 第一磁:錢壓磁場的—方向成約135。的角度提供所述 P機I如中請專利範圍第8項所述的用於寫入磁阻式 ^機存取記憶财㈣記憶料 ) 寫入線與所述第二寫入線大 憶f單元對應於-第-寫入線和-第二寫入線 體上彼此正交，且其中提 =斤述第-磁場、提供所述第二磁場、提供所述第 ==所述第四磁場包含在所述第一和第二寫入= 隨機圍第8項所述的用於寫入軸式 憶體單元對應於-第-寫人線和-第二寫人線=;己 42 1343574 厂:胍j.i? ' "I , · s i '------100-1-17 一寫入線與所述第二寫入線大體上彼此正交，且其中 提供所述第一磁場包含在所述第一寫入線中提供一 第一電流； 提供所述第二磁場包含在所述第二寫入線中提供一 第二電流； 提供所述第三磁場包含在所述第一寫入線中提供一 第三電流；和 提供所述第四磁場包含在所述第二寫入線中提供一 • 第四電流。 14. 如申請專利範圍第8項所述的用於寫入磁阻式 隨機存取記憶體裝置的記憶體單元的方法，其中提供所 述第三磁場包含提供所述第三磁場以具有一與所述第一 磁場大體上相同的量值。 15. 如申請專利範圍第8項所述的用於寫入磁阻式 隨機存取記憶體裝置的記憶體單元的方法，其中提供所 述第四磁場包含提供所述第四磁場以具有一與所述第二 φ 磁場大體上相同的量值。 16. —種用於寫入磁阻式隨機存取記憶體（MRAM) 裝置的方法，所述MRAM裝置包括多個記憶體單元，每 一個對應於多個字線中的一個和多個數位線中的一個， 所述方法包含通過以下步驟寫入所述記憶體單元中的一 個： 在一第一方向提供一第一磁場； 在提供該第一磁場之後，在一第二方向提供一第二 磁場，所述第二方向大體上與所述第一方向正交； 43 2供该第二磁場之後，關閉所述第一磁場； 述第；向=向提供一第三磁場’所述第三方向與所 關閉所述第二磁場；和 關閉所述第三磁場。 巾專利圍第16項所述關於寫入磁陣

   ;:單己憶體裝置的方法’其進-步包含使所述犯 憶體早广承党一偏壓磁場，其中： 白成2所边第—磁場包含以—與所述偏壓磁場的〆方 向成切⑽的角度提供所述第_磁場，且的 方ί、=述第—磁場包含以—與所述偏壓磁場的所述 方向，小於90。的角度提供所述第二磁場。 憶體㈣受=:方;中其進-步包含使所述記

   向成場包含以—與所述偏壓磁場的-方 =出的角度提供所述第—磁場，且 k供所述第二磁場包含 方向成約心咖崎；—綱的所述 式隨Hr請專利範’ 16項所述的用於寫入磁阻 思機存取έ己憶體裝置的 的所述-個包括—自& d所^憶體早凡中 迷自由磁、—釘紮磁性區域和所 1壓磁場，所述偏壓磁:::=== 44 ’......100-1-U7-.-.. ，區域的-易轴相同的方向，且其中提供所述第一磁場 匕3以與所述偏壓磁場的-方向成約135。的角度提供 所述第一磁場。 20_如申請專利範圍第16項所述的用於寫入磁阻 存取§己憶體裝置的方法，其中提供所述第一磁 %、提供所述第二磁場和提供所述第 三磁場包含在所述 相應的子線和數位線中提供電流。 21·如申睛專利範圍第16項所述的用於寫入磁阻 式隨機存取記憶體裝置的方法，其中 提供所述第一磁場包含在所述相應字線和數位線的 一個中提供一第一電流； 提供所述第二磁場包含在所述相應字線和數位線的 另一個中提供一第二電流；和 提供所述第三磁場包含在所述相應字線和數位線的 所述一個中提供一第三電流。 22.如申請專利範圍第π項所述的用於寫入磁阻 式隨機存取記憶體裝置的方法，其中提供所述第三磁場 包含提供所述第三磁場以具有一與所述第一磁場大體上 相同的量值。 23，如申請專利範圍第16項所述的用於寫入磁阻 式隨機存取記憶體裝置的方法，其進一步包含寫入所述 MRAM裝置的其他記憶體單元。 24· —種用於寫入磁阻式隨機存取記憶體（MRAM) 裝置的方法，所述MRAM裝置包括多個記憶體單元，每 一個對應於多個字線中的一個和多個數位線中的一個， =方法包含通過以下步驟寫人所述e憶體單元中的 =第-方向提供_第— 磁場，戶;第;:場之後’在-第二方向提供-第二 在提供 在-第三方向提述第:磁場； 鲁

   述第一方Θ相反· 第一磁場，所述第二方向與所 關閉所述第二磁場； 在一第四方向提供—2 _ 述第二方向相反；、《場，所达第四方向與所 ，提供該第四磁場之後，關閉所述第三磁場；和 關閉巧一磁％之後，關閉所述第四磁場。 •^丄如中^利軌圍第24項所述的用於寫入磁阻 取記憶，置的方法，其進-步包含使所述記 憶體早元承受一偏壓磁場，其中： ，供所f 包含以—與所述偏壓磁場的一方 向成大於90。的角度提供所述第—磁場且 提供所述第二磁場包如—與 方向成小於9G1角度提供所述第二磁場。㈣所I 26.如申請專利範圍帛24項所 式隨機存取㈣體裝置的方法，心—二㈣罵入磁阻 憶體單元承受一偏愿磁場，其中Γ v包含使所述記 提供所述第一磁場包含以—與所述 向成約135。的角度提供所述第一磁場，且 句、 46 1343574 :：h , *· · ； 100-i-J7 提i、所述苐二磁場包含以—與所述滅磁場的所述 方向成約45。的角度提供所述第二磁場。 輕it如_請專利範11第24項所賴用於寫入磁阻 逍：子取„己憶體裝置的方法’其#所述記憶體單元中 卞二=個包括一自由磁性區域、一釘紫磁性區域和所 处自由磁性區域與所述釘紫磁性區域之間的一穿随障 j ::中，述釘^•磁性區域在所述自由磁性區域中產生 謇 μ丨^磁•戶斤述偏|磁場處於一大體上與所述自由磁 的一易轴相同的方向’且其中提供所述第一磁場 二=ί所述偏墨磁場的一方向成約135°的角度提供 所述第一磁場。 An —如巾μ專她圍第24項所述㈣於寫入磁阻 取記憶體裝置的方法’其中提供所述第一磁 =、k供所述第二磁場、提供所述第三 第四磁場包含在所述相應的字線和數位線中提；^流斤。 • 式pH如7專利範圍第24項所述的用於寫入磁阻 叫機存取記紐裝置的方法，其中： ㈣㈣物和數位線的 另ΓΓ所述第二磁場包含在所述減字線和數位線的 方—個中提供一第二電流； 提供所述第三磁場包含在所述相應字線和數位線的 斤述一個中提供一第三電流；和 ，供所述第四磁場包含在所述相應字線和數位線的 斤述另一個中提供—第四電流。 47 丄yrJ J . ；.：·ί 年月(史J止t換頁 —.JQO-1-17 4、0 如申请專利範圍第24項所述的用於寫入磁阻 取記㈣裝置的方法，其中提供所述第三磁場 供所述第三磁場以具有—與所磁場大體上 相同的量值。 31 如申请專利範圍第24項所述的用於寫入磁阻 存取記憶财置的方法，其中提供所述第四磁場

   ^3提供所述第四磁場以具有-與所述第二磁場大體上 相同的量值。 3 2 I •如申請專利範圍第24項所述的用於寫入磁阻 Ik機存取把憶體裝置的方法，其進一步包含寫入所述 RAM I置的其他記憶體單元。 33 ’一種用於轉換磁阻式隨機存取記憶體（MRAM) 、置的^憶體單元中的磁矩的方法包含： 在整個的一操作期間固定施加一偏壓磁場給所述記 憶體單元；

   卜 於°亥操作期間的一第一階段，在一第一方向提供一 第一磁場，其中所述第一方向與所述偏壓磁場的一方向 形成一鈍角； ^ ^於該操作期間的 一第二階段，在"一 ^ ^一方向提供一 第一磁場；以及 ^於該操作期間繼續所述第二階段後的至少一第三階 段而改變—總磁場，以完成翻轉所述記憶體單元的磁矩。 34.如申請專利範圍第33項所述的用於轉換磁阻 式隨機存取記憶體裝置的記憶體單元中的磁矩的方法， /、中提供所述第一磁場包含提供所述第一磁場以在一與 48 所述第一方向相反的方向完全偏移所述偏壓磁場的一分 量。 35. 如申請專利範圍第33項所述的用於轉換磁阻 式隨機存取記憶體裝置的記憶體單元中的磁矩的方法， 其中提供所述第一磁場包含在一與所述偏壓磁場成約 135°角的方向提供所述第一磁場。 36. 如申請專利範圍第33項所述的用於轉換磁阻 式隨機存取記憶體裝置的記憶體單元中的磁矩的方法， 其進一步包含在一第二方向提供一第二磁場，其中所述 第二方向與所述偏壓磁場的所述方向形成一銳角。 37. 如申請專利範圍第36項所述的用於轉換磁阻 式隨機存取記憶體裝置的記憶體單元中的磁矩的方法， 其進一步包含提供所述第二磁場之後關閉所述第一磁 場。 38. 如申請專利範圍第33項所述的用於轉換磁阻 式隨機存取記憶體裝置的記憶體單元中的磁矩的方法， 其中所述記憶體單元對應於一第一寫入線和一第二寫入 線，所述第一寫入線與所述第二寫入線大體上彼此正 交，且其中提供所述第一磁場和提供所述第二磁場包含 在所述第一和第二寫入線中提供電流。 39. —種用於讀取磁阻式隨機存取記憶體（MRAM) 裝置的方法，其包含： 部分地轉換一參考記憶體單元中的磁矩以產生一參 考電流； 測量一通過一待讀取的記憶體單元的讀取電流；和

   h i ♦日修(之)土$块a , 100-1-17 比較所述讀取電流與所述參考電流以確定待讀取的 所述記憶體單元的一狀態， 其中部分地轉換所述參考記憶體單元中的磁矩包 含 在一第一方向提供一第一礤場； 在-第二方向提供—第二磁場，所述第二方向大體 上與所述第一方向正交； 關閉所述第二磁場；和 關閉所述第一磁場。 #4Γ.如巾料鄕圍第39項所述_於讀取磁阻 存取記憶體裝置的方法，其中所述參考記憶體單 後斑=於—第—寫人線和—第二寫人線，所述第一寫入 第二寫入線大體上彼此正交，且其中提供所述 入線所述第二磁場包含在所述第-和第二寫 元承受其情料考記憶體單 ^偏壓磁％，所述方法進一步包含： 提供所述第—磁場之前，在—第 磁％，所述第三方向盥 徒仏弟— 壓磁，—方向形成方向相反，並與所述偏 =供所述第二磁場之前關所述第三磁場。 式隨機存第41項所料祕讀取磁阻 心體裝置的方法，其中所述參考記憶體單 50 1343574 ¥ 100-1-17 :承又磁场，且其中提供所述 與所述偏壓磁場的一方向成約 每匕3以 Π5的角度提供所述第三 磁％。 43.如申請專利範圍第4〗項 式隨機存取記憶體裝置的方丨^ 用於項取磁阻 線上線和—第二寫人線，所述第-寫入 、第二磁二二人▲大體上彼此正交’且其中提供所述

   ，所、所述第二磁場和提供所述第三磁場包含 在所述第ϋ二寫人線中提供電流。 衫ϋ如中μ專利㈣第39項所述的用於讀取磁阻 機存取記憶體農置的方法，其進—步包含在關閉所 述第一，場之前測量—作為所述參考電流通過所述參考 記憶體單元的電流。 45·如申清專利範圍第39項所述的用於讀取磁阻 =隨機存取記憶體裝置的方法，其進—步包含：重複測 罝二通過-待讀取的記憶體單元的讀取電流，並比較所

   述a貝取電流與所述參考電流以讀取所述M R A M裝置的其 他記憶體單元。 46♦如申請專利範圍第39項所述的用於讀取磁阻 式機存取讀體|置的方法，其中所述參考記憶體單 元不承受一外磁場。 51