專利名稱：編程存儲器單元的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及非易失性存儲器裝置的領域，特別涉及編程磁性隨機存取存儲器(magnetic random access memory, MRAM)的磁性元件。
技術背景磁性隨機存取存儲器是一種使用磁化(magnetization)來表示所儲存的 數(shù)據(jù)的非易失性存儲器技術。在沒有電力的情況下，磁性隨機存取存儲器有 助于保持所儲存的數(shù)據(jù)。 一般而言，磁性隨機存取存儲器的結(jié)構(gòu)包括多個磁 性單元在一陣列內(nèi)。各單元通常表示一比特的數(shù)據(jù)。各單元包括至少一磁性 元件。磁性元件可包括兩鐵磁板(ferromagnetic plate)，例如半導體基底上 的半導體層，其中各鐵磁板具有磁化方向(磁矩的方位或是磁化向量的方 向)。兩鐵磁板由非磁性層所隔開。兩鐵磁板之一為自由層(free layer)(也 可稱為儲存層)，其具有可自由轉(zhuǎn)動的磁化向量。另一鐵磁板為被固定層 (pinned layer)(也可稱為參考層)，其磁化向量具有不變或是固定的方向。 在編程磁性元件時，傳統(tǒng)上通過將鐵磁板的磁化向量排列成平行的方式以寫 入邏輯0至磁性元件，以及將鐵磁板的磁化向量排列成反平行的方式以寫入 邏輯l至磁性元件。通過決定元件的電阻可讀取磁性元件。在鐵磁板之間有 平行磁化向量的磁性元件具有低電阻狀態(tài)，而在鐵磁板之間有反平行磁化向 量的磁性元件具有高電阻狀態(tài)。通過引入電流(寫入電流)至磁性元件可切換磁性元件中自由層的磁化 方向。自旋扭矩轉(zhuǎn)移(spin torque transfer, STT)是切換自由層的磁化方向 的傳統(tǒng)方式之一，也稱為自旋轉(zhuǎn)移切換、自旋轉(zhuǎn)移效應或是電流感應磁化切 換(current induced magnetization switching, CIMS)。自旋扭矩轉(zhuǎn)移是根據(jù) 當自旋極化(spin-polarized)電流應用在自由層時，因為磁矩的方位，電子 可以被極化。電子的極化會導致自由層遭受到扭矩與被磁化的電子在角動量 的變化結(jié)合在一起。因此，當電流密度足夠高時，扭矩具有足夠的能量來切換自由層的磁化向量的方向。自旋扭矩轉(zhuǎn)移具有許多在此技藝中已知的優(yōu) 點，例如較小的比特尺寸、具有較少數(shù)量的工藝步驟(相比于其它寫入技 術)、大陣列的可擴縮性，以及需要較低的寫入電流。然而，自旋扭矩轉(zhuǎn)移 的缺點是需要雙向電流源。更特別地，自由層以及被固定層的磁化從反平行 至平行結(jié)構(gòu)的切換會得到來自第一方向的電流，而從平行至反平行結(jié)構(gòu)的切 換會得到來自第二方向的電流。為了幫助雙向電流，在包含磁性元件的單元 中，其陣列的周圍需要電流開關。在所占用的裝置面積、額外的制造過程、 復雜性以及此技藝所熟知的其它成本的方面，電流開關的存在會增加磁性隨 機存取存儲器裝置的成本。因此，需要一種改善的方法用以編程磁性元件以及存儲器裝置，其中存 儲器裝置提供裝置內(nèi)磁性元件的編程的改善。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種改善的儲存器裝置以及方法用以編程磁性 元件。本發(fā)明提供一種編程存儲器陣列的方法，用以編程包括一第一磁性元件 以及一第二磁性元件的存儲器陣列，所述方法包括提供一第一電流源耦接至所述第一磁性元件，以及提供一第二電流源耦接至所述第二磁性元件；從所述第一電流源，供應一第一電流至所述第一磁性元件，所述第一電流具有一第一電流密度并來自一第一方向；以及從所述第二電流源，供應一第二電 流至所述第二磁性元件，所述第二電流具有一第二電流密度并來自所述第一 方向。如上所述的方法，其中所述供應第一電流的步驟提供所述第一磁性元件 的低電阻狀態(tài)，以及其中所述供應第二電流的步驟提供所述第二磁性元件的 高電阻狀態(tài)，其中所述第一電流源不同于所述第二電流源。如上所述的方法，其中所述第二磁性元件包括一自由層以及一被固定 層，以及其中所述供應第二電流至所述第二磁性元件的步驟包括供應一電流 直到所述自由層的強度為足夠低，使得所述自由層的磁化取決于所述被固定 層的偏壓場。如上所述的方法，其中所述第一電流平行于所述第一磁性元件的被固定層的磁化方向。如上所述的方法，其中在一第一期間供應所述第一電流以及在一第二期 間供應所述第二電流，而其中所述第一電流密度高于所述第二電流密度，以 及所述第一期間短于所述第二期間。再者，本發(fā)明提供一種編程存儲器陣列的方法，包括提供至少一存儲 器單元，所述存儲器單元包括一磁性元件；提供至少一電流源耦接至所述磁 性元件；以及從至少一所述電流源供應多非零電流位準的一單向電流至所述 磁性元件。如上所述的方法，其中所述磁性元件包括一被固定層、 一自由層以及一 間隔層，以及其中所述單向電流供應至所述被固定層。如上所述的方法，其中所述磁性元件包括一磁場偏壓層，以及其中所述 單向電流供應至所述磁場偏壓層，其中所述磁場偏壓層為一合成反鐵磁體。如上所述的方法，其中所述供應單向電流的步驟包括供應一第一電流位 準以及一第二電流位準，其中所述第一電流位準具有大于一臨界電流密度的 電流密度，以及所述第二電流位準具有小于所述臨界電流密度的電流密度。再者，本發(fā)明提供一種編程存儲器單元的方法，包括提供一磁性元件 耦接至一電流源；從所述電流源，供應一第一電流脈波至所述磁性元件，其 中所述第一電流脈波提供所述磁性元件的低電阻狀態(tài)；以及從所述電流源， 供應一第二電流脈波至所述磁性元件，其中所述第一電流脈波以及所述第二 電流脈波為單向，以及所述第二電流脈波提供所述磁性元件的高電阻狀態(tài)。因此，本發(fā)明提出的用于編程磁性元件的存儲器裝置和方法在沒有增加 成本和復雜性的情況下實現(xiàn)了功效的改善。


圖1為顯示磁性元件的一實施例的剖面圖；圖2為顯示磁性存儲器陣列的一實施例的電路圖；圖3a以及圖3b為顯示磁性元件以及編程磁性元件的一實施例的剖面圖；圖3c以及圖3d分別顯示圖3a以及圖3b所使用的寫入頻率；圖3e、圖3j以及圖3k為顯示包含不同存儲器狀態(tài)的存儲器陣列的一實圖3f、圖3g、圖3h以及圖3i為顯示圖3e、圖3j以及圖3k的存儲器陣 列所使用的寫入頻率；圖4a以及圖4b為顯示磁性元件以及編程磁性元件的另一實施例的剖面圖；圖5a以及圖5b為顯示磁性元件以及編程磁性元件的另一實施例的剖面圖；圖6a以及圖6b為顯示使用電流在平面內(nèi)(CIP)結(jié)構(gòu)編程磁性元件的 一實施例的剖面圖；以及圖7為顯示編程磁性存儲器元件的方法的一實施例的流程圖。并且，上述附圖中的各附圖標記說明如下100、 300、 400、 500、 600 磁性元件102、 306、 512、 606 被固定層104、 304、 404、 406b、 510、 504b、 604 間隔層106、 302、 402、 508、 602 自由層200磁性存儲器陣列202、 204、 206、 208 存儲器單元202a、 204a、 206a、 208a 磁性元件202b、 204b、 206b、 208b 晶體管210列選擇器212a、 212b 位線214行選擇器216a、 216b 字符線220 寫入電流源222讀出電流源224輸出線308、 408、 516、 518、 608 偏壓場 320a、 320b、 320c存儲器陣列 322a、 324a、 326a、 328a 寫入線 330、 332、 334、 336 字符線7406、 504合成反鐵磁體406a、 406c、 504a、 504c 鐵磁層502、 514反鐵磁體610a、 610b 電流700 方法702-714 步驟e.電子具體實施方式
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉出優(yōu)選實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下 實施例圖1為顯示根據(jù)本發(fā)明一實施例所述的磁性元件100。磁性元件100包 括被固定層102、非磁性間隔層(spacerlayer) 104以及自由層106。在第一 實施例中，當間隔層104夾在自由磁性元件(自由層106)以及被固定磁性 元件(被固定層102)之間的絕緣體或是勢壘層(barrier layer)時，磁性元 件100為磁穿隧接面(magnetic tunnel junction, MTJ)元件。在第二實施例 中，當間隔層104夾在自由磁性元件(自由層106)以及被固定磁性元件(被 固定層102)之間的非磁性傳導層時，磁性元件100為巨磁阻(giant magnetoresistance， GMR)元件。其它實施例是可能的。被固定層102以及自由層106均為鐵磁層。被固定層102以及自由層106 可包括鈷、鐵、硼、鎳、錳和/或其合金，例如包括鎳鐵(NiFe)、鈷鐵(CoFe)、 鈷鐵硼(CoFeB)或是包含其它鐵磁材料的化合物的合金。被固定層102和/ 或自由層106可由傳統(tǒng)工藝而形成，例如光刻(photolithography)、化學 氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、電化(Electro-chemical)沉積、 分子操控(Molecularmanipulation)、蝕刻、化學機械研磨，和/或其它工藝。 圖1所顯示的被固定層102和自由層106為單一層；然而，如熟知此技藝的 人士所知，任一層可以是合成的，例如鐵磁層/間隔層/鐵磁層。間隔層104也可由傳統(tǒng)工藝而形成，例如光刻、化學氣相沉積、等離子增強化學氣相沉積、物理氣相沉積、電化沉積、分子操控、氧化、蝕刻、化學機械研磨，和/或此技藝所知的其它工藝。在一實施例中，磁性元件100為磁穿隧接面元件，也稱為穿隧磁阻元件。 在此實施例中，間隔層104為勢壘層，也稱為穿隧障壁。間隔層104的厚度為電子能穿隧通過間隔層104的厚度。在實施例中，間隔層104具有非磁性 成分，并且可由任何適合作為電絕緣體的材料所形成。舉例來說，間隔層104 可使用包括鋁、鎂、硅、鉿、鍶或鈦氧化物或是氮化物的其它絕緣材料，例 如MgO,HfOxSiOx、 SiNx、 SiOxNy、 A10x、 TaOx、 TiOx、 AlNx和/或其組 合。間隔層104可單獨地或是結(jié)合插入于被固定層102與自由層106的其它 層(未顯示)以電性隔離被固定層102以及自由層106。在另一實施例中，磁性元件100為巨磁阻元件。在實施例中，間隔層104 由非磁性傳導材料所組成。勢壘層104可包括傳導材料，例如銅、釕、鎳 和/或此技藝所知的傳導材料。間隔層104的厚度可允許通過自旋扭矩轉(zhuǎn)移來 切換自由層106的磁矩方位。磁性元件100可包含額外的層，其包括額外被固定層、反鐵磁層(固定 層(pinning layer))、禾中子層(seed layer)、覆蓋層(capping layer)、 間隔 層和/或此技藝所知的其它層。 一或多個層可以被合成。在一實施例中，磁性 元件100包含反鐵磁層。反鐵磁層具有兩兩相反方向的磁矩，其中反鐵磁層 對磁場不敏感。因此，反鐵磁層可設定鐵磁層的方向。磁性元件100可形成于基底，例如包括硅、鍺、復合半導體和/或此技 藝所知的材料的半導體基底。磁性元件IOO可被耦接至一個或多個可使用的內(nèi)連線，以提供電流(例如讀出電流和/或?qū)懭腚娏?至磁性元件IOO。內(nèi) 連線可由適合導電的材料所組成，例如鋁、銅、金、銀、鉭和/或其組合。磁性元件100的結(jié)構(gòu)可通過自旋扭矩轉(zhuǎn)移來切換自由層106的磁化。下 列應用于磁性元件100的自旋扭矩轉(zhuǎn)移的描述僅供此技藝的目前狀態(tài)參考，但是其并非用以限定本發(fā)明的范圍。下面所描述的自旋扭矩轉(zhuǎn)移使用電流垂直于平面(current perpendicular to plane， CPP)的結(jié)構(gòu)。在電流垂直于平面 的結(jié)構(gòu)中，電流被驅(qū)動垂直于磁性元件100的各層。最初，假設自由層106 的磁化反平行于被固定層102。箭頭110b表示電流從自由層106供應至被固 定層102,用以切換自由層106的磁化以平行于被固定層102的磁化。當電 流由自由層106被驅(qū)動至被固定層102時(在箭頭110b的方向)，傳導電子從被固定層102傳導至自由層106。從被固定層102所傳導的大多數(shù)電子 具有與被固定層102的磁矩相同方向的自旋極化。與自由層106的磁矩互相 影響的電子靠近自由層106以及勢壘層104之間的界面。因為互相影響，使 得電子轉(zhuǎn)移自旋角動量至自由層106。自旋角動量反平行于自由層106的磁 化。當通過電子轉(zhuǎn)移足夠的角動量時-，自由層106的磁化可被切換成平行于 被固定層102的磁化。切換自由層的磁化方向所需要的臨界電流密度以Jc 表示。當自由層106的磁化平行于被固定層102的磁化時，磁性元件的電阻 為低。傳統(tǒng)上，低電阻狀態(tài)表示儲存"O"的值。此外，可從相反方向供應電流，如箭頭110a所顯示，從被固定層102 至自由層106。來自箭頭110a方向的電流切換自由層106的磁化，使得自由 層106的磁化反平行于被固定層102的磁化。在供應電流之前，假設自由層 106的磁化平行于被固定層102的磁化。當電流由被固定層102被驅(qū)動至自 由層106時(在箭頭110a的方向)，傳導電子傳導在相反方向。大多數(shù)電 子具有在自由層106的磁化方向的自旋極化(與被固定層102相同方向)。 大多數(shù)的電子被傳送通過被固定層102。然而，少數(shù)電子，其具有反平行于 自由層106以及被固定層102的磁化的自旋極化，將從被固定層102被反射 并傳導回自由層106。所反射的少數(shù)電子與自由層106磁矩互相影響，并傳 導部分的自旋角動量至自由層106。當足夠的角動量被轉(zhuǎn)換時，自由層106 的磁化可被切換成反平行于被固定層102的磁化。切換自由層的磁化方向所 需要的臨界電流密度以Jc表示。當自由層106反平行于被固定層102時，磁 性元件的電阻為較高。傳統(tǒng)上，高電阻狀態(tài)表示儲存"l"的值。然而，先前描述的自旋扭矩轉(zhuǎn)移中雙向電流的要求會需要使用到電流開 關，其將增加存儲器元件的成本。因此，需要使用單向電流來切換自由層106 的磁化。圖2為顯示磁性存儲器陣列200的一實施例的電路圖。磁性存儲器陣列 200包括四個存儲器單元202、 204、 206以及208。各存儲器單元202、 204、 206與208分別包括磁性元件202a、 204a、 206a與208a以及晶體管202b、 204b、 206b與208b。在圖2中，磁性元件202a、 204a、 206a以及208a被描 繪成以電阻表示。磁性元件202a、 204a、 206a以及208a可包括磁性元件， 例如圖1所顯示的磁性元件100。舉例來說，在一實施例中， 一或多個磁性元件202a、 204a、 206a以及208a包括磁穿隧接面元件。在另一實施例中， 一或多個磁性元件202a、 204a、 206a以及208a包括巨磁阻元件。通過使用 自旋扭矩轉(zhuǎn)移，可以寫入數(shù)據(jù)至磁性元件202a、 204a、 206a以及208a。各存儲器單元202、 204、 206與208分別通過位線212a、 212b耦接于 讀出/寫入列(column)選擇器210，'以及分別通過字符線216a、 216b耦接 于行(row)選擇器214。讀出/寫入列(column)選擇器210耦接于寫入電 流源220以及讀出電流源222。由讀出電流源222供應讀出電流以從存儲器 單元202、 204、 206與208中讀出資料。選擇從存儲器單元202、 204、 206 或是20S中讀出數(shù)據(jù)由行選擇器214以及列選擇器210所決定。在輸出線224 讀取輸出電壓，并使用輸出電壓來判斷磁性元件202a、 204a、 206a和/或208a 的電阻狀態(tài)。因為磁性元件202a、 204a、 206a以及208a由自旋扭矩轉(zhuǎn)移所操作，磁 性元件陣列200并未包含傳統(tǒng)的寫入線。通過來自寫入電流源220的電流的 輸入，可寫入輸入數(shù)據(jù)至磁性元件202a、 204a、 206a以及208a。在傳統(tǒng)存 儲器陣列中，寫入電流源220包括電流開關以提供雙向電流。當使用先前所 描述的傳統(tǒng)自旋扭矩轉(zhuǎn)移來編程磁性元件202a、 204a、 206a以及208a時， 電流開關允許從兩個方向供應電流。舉例來說，電流將以第一方向傳送以切 換磁性元件202a、 204a、 206a和/或208a的自由層，使得自由層平行于被固 定層并得到磁性元件202a、 204a、 206a和/或208a的低電阻狀態(tài)。電流將以 第二方向被傳送，用以切換磁性元件202a、 204a、 206a禾口/或208a的自由層， 使得自由層不平行于被固定層并得到磁性元件202a、 204a、 206a和/或208a 的高電阻狀態(tài)。然而，本發(fā)明所描述的電流源220提供單向(或單方向性或單極性)電 流以編程磁性元件202a、 204a、 206a和/或208a。電流源220提供包括至少 兩種電流位準的單向電流，其中各電流位準具有不同的電流密度。在一實施 例中，電流源220可包括兩晶體管。當?shù)谝痪w管被導通時，提供具有第一 電流密度的電流。當?shù)诙w管被導通時，提供具有第二電流密度的電流。 電流源220可包括多個不同的電流源，其可提供單方向性的電流以編程磁性 元件202a、 204a、 206a和/或208a。參閱圖3a至圖3d，圖3a以及圖3b顯示磁性元件300，而圖3c以及圖3d是顯示寫入電流密度(JW)對時間(t)的寫入頻率圖。圖3c的寫入頻率圖對應于圖3a的磁性元件300，而圖3d的寫入頻率圖對應于圖3b的磁性元 件300。磁性元件300包括自由層302、被固定層306以及間隔層304。磁性 元件300大體上可相似于圖1所描述的磁性元件100。在各層內(nèi)，磁化的方 向以箭頭表示。被固定層306具有非零磁化(non-zero magnetization)以提 供如下文所描述的偏壓場(bias field)。磁性元件300可包括額外的層，舉 例來說，可包括額外被固定層、間隔層、固定層、種子層、覆蓋層和/或此技 藝所知的其它層。 一或多個層可以被合成。在一實施例中，磁性元件300包 括熱助層(thermal assistance layer)。熱助層由高電阻系數(shù)材料所組成，例 如鉤、氮化鉭和/或此技藝所知的其它材料。磁性元件300設定為可通過自 旋扭矩轉(zhuǎn)移來切換自由層302的磁化。在圖3a中，自由層302的磁化最初反平行于被固定層306的磁化。供 應電流密度為Jwl的電流至磁性元件300。如箭頭所顯示，箭頭顯示電子(e—) 注入的方向(電流的方向與電子注入的方向相反，即由磁性元件300的自由 層302至被固定層306的方向供應電流密度為Jwl的電流)。如圖3c所顯 示，電流密度Jwl大于臨界電流密度Jc。如先前磁性元件100的自旋扭矩轉(zhuǎn) 移的描述，通過電流密度為Jwl的電流，自由層302的磁化可被切換成平行 于被固定層306的磁化。在時間t，的期間，供應電流密度為Jwl的電流至磁 性元件300。時間t,與間隔層304的厚度有關。在一實施例中，時間^約不 大于5ns。在另一實施例中，時間t,約不大于150ns。在實施例中，間隔層 304的厚度在O.lnm以及10nm之間。在圖3b中，自由層302的磁化最初平行于被固定層306的磁化。供應 電流密度為Jw2的電流至磁性元件300。如箭頭所顯示，箭頭顯示電子(e—) 注入的方向(電流的方向與電子注入的方向相反，即由磁性元件300的自由 層302至被固定層306的方向供應電流密度為Jw2的電流)。電流密度Jw2 的電流與電流密度Jwl的電流來自相同的方向，其中兩電流均為單向。如圖 3d所顯示，電流密度Jw2小于臨界電流密度Jc以及電流密度Jwl。在另一 實施例中，電流密度Jw2可以等于電流密度Jwl。在時間t2的期間，供應電 流密度為Jw2的電流至磁性元件300。時間t2約不大于250ns。在一實施例 中，時間t2約不大于150ns。在另一實施例中，時間t2約不大于50ns。在一實施例中，時間t2對時間^的比例約不大于200。在一實施例中，時間tr大約等于時間t2。在一實施例中，時間t2對時間tj勺比例約大于5。當供應電流密度為Jw2的電流時，磁性元件300以及尤其是自由層302 會變熱。當自由層302的溫度上升時，強度Hc (在平行于被固定層306的 方向上，當自由層的磁化被驅(qū)動至飽和后，將自由層302的磁化減少至零所 需要的磁場強度)將減少。當強度Hc減少時，自由層302變成更容易旋轉(zhuǎn)。 當強度Hc變成足夠小時，被固定層306的偏壓場308可旋轉(zhuǎn)自由層302。 在一實施例中，在自由層302可被偏壓場308旋轉(zhuǎn)之前，強度Hc大約少于 20奧斯特(oersted, Oe)。自由層302的強度Hc對于溫度的關系是取決于 磁性元件300、自由層302的成分、自由層302的厚度和/或此技藝所知的其 它因素。偏壓場308的強度取決于被固定層306的成分、被固定層306的厚 度和/或此技藝所知的其它因素。在此實施例中，自由層302的磁化被切換成 反平行于被固定層306的磁化。圖3e、 3f、 3g、 3h、 3i、 3j以及3k顯示存儲器陣列320a/320b/320c以及 寫入頻率322、 324、 326以及328。存儲器陣列320a (顯示于圖3e)顯示陣 列的原始狀態(tài)。在寫入頻率322、 324、 326以及328中，對應于陣列存儲器 儲器元件(單元)的狀態(tài)的原始狀態(tài)以時間期間"a"表示。存儲器陣列320b(顯示于圖3j)顯示在過渡狀態(tài)(interim state)的陣列。在寫入頻率322、 324、 326以及328中，對應于陣列存儲器儲器元件(單元)的狀態(tài)的過渡狀 態(tài)以時間期間"b"表示。存儲器陣列320c (顯示于圖3k)顯示在最終狀態(tài)的 陣列。在寫入頻率322、 324、 326以及328中，對應于陣列存儲器儲器元件(單元)的狀態(tài)的最終狀態(tài)以時間期間"c"表示。存儲器陣列320a、 320b和 320c包括寫入線322a、 324a、 326a和328a以及字符線330、 332、 334和336。 存儲器陣列320a、 320b和320c包括多個存儲器元件(例如存儲器單元)， 其在寫入線以及字符線的交點顯示成0或是1，并以行(寫入線)/列(字符 線)表示，例如寫入線322a/字符線330。存儲器元件大體上可相似于圖 3a以及3b中的存儲器元件300。在存儲器陣列320a、 320b和320c中，字符 線332以及字符線336為不導通，而耦接于字符線332以及字符線'336的存 儲器元件的狀態(tài)將不會被切換。然而，存儲器陣列320c (最終狀態(tài))取決于 字符線330、320c可不相同。根據(jù)圖3f的寫入頻率322，通過寫入線322a供應電流至圖3e的存儲器 陣列320a。寫入頻率322包括一個或多個具有電流密度為Jw3的電流脈沖。 電流密度Jw3大于臨界電流密度Jc。因此，供應電流密度為Jw3的電流至陣 列中位置為寫入線322a/字符線330以及寫入線322a/字符線334的存儲器元 件。操作電流密度為Jw3的寫入電流以切換位置為寫入線322a/字符線330 的存儲器元件的存儲器狀態(tài)從儲存"1"的狀態(tài)至儲存"0"的狀態(tài)，如圖3j中存 儲器陣列320b的過渡狀態(tài)所顯示。存儲器狀態(tài)的切換大體上可相似于先前 圖3a以及圖3c所描述。另一電流脈波(具有如寫入頻率322以虛線所顯示 的電流密度Jw3)的應用更不會改變存儲器陣列的狀態(tài)。因此，寫入線322a 的存儲器元件的最終狀態(tài)320c為0、 1、 0、 0，如圖3k所顯示。根據(jù)圖3g的寫入頻率324，通過寫入線324a供應電流至圖3e的存儲器 陣列320a。寫入頻率324包括一或多個具有電流密度為Jw4的電流脈沖。電 流密度Jw4小于臨界電流密度Jc。因此，供應電流密度為Jw4的電流至陣列 中位置為寫入線324a/字符線330以及寫入線324a/字符線334的存儲器元件。 操作電流密度為Jw4的寫入電流以切換位置為寫入線324a/字符線334的存 儲器元件的存儲器狀態(tài)從儲存"0"的狀態(tài)至儲存"1"的狀態(tài)，如圖3j中存儲器 陣列320b的過渡狀態(tài)所顯示。存儲器狀態(tài)的切換大體上可相似于先前圖3b 以及圖3d所描述。另一電流脈波(具有如寫入頻率324以虛線所顯示的電 流密度Jw4)的應用更不會改變存儲器陣列的狀態(tài)。因此，寫入線324a的存 儲器元件的最終狀態(tài)320c為1、 1、 1、 0，如圖3k所顯示。根據(jù)圖3h的寫入頻率326，通過寫入線326a供應電流至圖3e的存儲器 陣列320a。寫入頻率326包括具有電流密度為Jw5的第一電流脈沖以及電流 密度為Jw6的第二電流脈沖。電流密度Jw5大于臨界電流密度Jc，而電流密 度Jw6小于臨界電流密度Jc。首先，供應電流密度Jw5的電流至陣列中位置 為寫入線326a/字符線330以及寫入線326a/字符線334的存儲器元件。操作 電流密度為Jw5的寫入電流以切換位置為寫入線326a/字符線330的存儲器 元件的存儲器狀態(tài)從儲存"1"的狀態(tài)至儲存"0"的狀態(tài)，如圖3j中存儲器陣列 320b的過渡狀態(tài)所顯示。存儲器狀態(tài)的切換大體上可相似于先前圖3a以及 圖3c所描述。接著，供應電流密度Jw6的電流至具有過渡狀態(tài)(如圖3j所儲器元件。操作電流密度為Jw6的寫入電流以切換過渡存儲器陣列320b的存儲器狀態(tài)，使得位置為寫入線326a/字符線330 以及寫入線326a/字符線334的存儲器元件從儲存"0"的狀態(tài)切換成儲存"1" 的狀態(tài)，如圖3j中存儲器陣列320c的最終狀態(tài)所顯示。存儲器狀態(tài)從"0"至 'T，的切換大體上可相似于先前圖3b以及圖3d所描述。因此，包括寫入線 326a的存儲器元件的最終狀態(tài)320c為1、 1、 1、 0，如圖3k所顯示。根據(jù)圖3i的寫入頻率328，通過寫入線328a供應電流至圖3e的存儲器 陣列320a。寫入頻率328包括具有電流密度為Jw7的第一電流脈沖以及電流 密度為Jw8的第二電流脈沖。電流密度Jw7小于臨界電流密度Jc，而電流密 度Jw8大于臨界電流密度Jc。首先，供應電流密度Jw7的電流至陣列中位置 為寫入線328a/字符線330以及寫入線328a/字符線334的存儲器元件。操作 電流密度為Jw7的寫入電流以切換位置為寫入線328a/字符線334的存儲器元件的存儲器狀態(tài)從儲存"o"的狀態(tài)至儲存"r的狀態(tài)，如圖3j中存儲器陣列320b的過渡狀態(tài)所顯示。存儲器狀態(tài)的切換大體上可相似于先前圖3b以及 圖3d所描述。接著，供應電流密度Jw8的電流至具有過渡狀態(tài)(如圖3j所 顯示)的陣列320b中的存儲器元件。操作電流密度為Jw8的寫入電流以切 換過渡存儲器陣列320b的存儲器狀態(tài)，使得位置為寫入線328a/字符線330 以及寫入線328a/字符線334的存儲器元件從儲存"1"的狀態(tài)切換成儲存"0" 的狀態(tài)，如圖3j中存儲器陣列320c的最終狀態(tài)所顯示。存儲器狀態(tài)從"0"至 "l"的切換大體上可相似于先前圖3a以及圖3c所描述。因此，寫入線328a 的存儲器元件的最終狀態(tài)320c為0、 1、 0、 0，如圖3k所顯示。參考圖4a以及4b，圖4a以及4b顯示磁性元件400。磁性元件400包括 自由層402、間隔層404以及合成反鐵磁體(synthetic antiferromagnet， SAFM) 406。合成反鐵磁體406是執(zhí)行相似于先前所描述的被固定層102功能的合 成被固定層。合成反鐵磁體406包括由間隔層406b所隔開的兩鐵磁層406a 以及406c。鐵磁層406a以及406c可包括鈷、鐵、鎳和/或其鐵磁合金，例如 NiFe、 CoFe和/或CoNiFe。鐵磁層406a以及406c也可包括半金屬鐵磁物質(zhì)， 例如Fe304、 Cr02、 NiMnSb和/或PtMnSb。間隔層406b包括非磁性傳導 材料。在一實施例中，間隔層406b包括釕。間隔層406b可包含其它的材料， 例如釕、銅、銥以及錸。間隔層406b的厚度使得鐵磁層406a以及406c為反鐵磁耦合。自由層402以及間隔層404大體上可相似于圖1所描述的被固 定層102以及間隔層104。磁性元件400設定為可通過自旋扭矩轉(zhuǎn)移來切換 自由層402的磁化。圖4a顯示通過自旋扭矩轉(zhuǎn)移來編程磁性元件400。最初，自由層402的 磁化是反平行于合成反鐵磁體406的鐵磁層406a的磁化。從自由層402往 合成反鐵磁體406的方向，供應電流至磁性元件400。如箭頭所顯示，其顯 示電子(e—)注入的方向。所供應的電流具有大于臨界電流密度Jc的電流密 度。電流通過自旋扭矩轉(zhuǎn)移來切換自由層402的磁化方向。在圖4b中，自由層402的磁化最初平行于合成反鐵磁體406的鐵磁層 406a的磁化。從自由層402往合成反鐵磁體406的方向，供應電流至磁性元 件400。如指向鐵磁層406c的箭頭所顯示，其顯示電子(e—)的注入。所供 應的電流具有小于臨界電流密度Jc的電流密度。與圖4a中所供應的電流一 樣，所供應的電流為單向。在足夠的時間內(nèi)供應電流以加熱磁性元件400， 特別是加熱自由層402直到自由層402的強度Hc為足夠低，使得自由層402 的磁化變?yōu)槿Q于合成反鐵磁體406的偏壓場408。因此，自由層402的磁 化的切換反平行于合成反鐵磁體406的鐵磁層406a。額外參考層可包含于磁性元件內(nèi)，例如圖l、 3a、 3b、 4a、 4b所描述 的磁性元件100、300以及400。額外參考或是被固定層可增加有效凈偏壓場， 其用以切換自由層。額外被固定層可以是磁場偏壓層。參考圖5a以及5b， 其顯示磁性元件500的一實施例。磁性元件500包括多個被固定層，其包括 合成反鐵磁體504以及被固定層512。磁性元件500還包括反鐵磁體502和 514、自由層508、間隔層510以及第二間隔層506。反鐵磁體504包括由間隔層504b所隔開的兩鐵磁層504a以及504c。合 成反鐵磁體504大體上可相似于圖4所描述的反鐵磁體406。合成反鐵磁體 504為磁場偏壓層。自由層508、被固定層512以及間隔層510大體上可分 別相似于圖1所描述的自由層106、被固定層102以及間隔層104。反鐵磁 體502以及514包括反鐵磁材料。在一實施例中，反鐵磁體502以及514包 括PtMn。反鐵磁體502以及514可包括其它反鐵磁材料，例如NiMn、 PdMn 以及IrMn。反鐵磁體502可設定合成反鐵磁體504的磁化方向。反鐵磁體 514可設定被固定層512的磁化方向。反鐵磁體502以及514可由傳統(tǒng)工藝而形成，例如光刻、化學氣相沉積、物理氣相沉積、電化沉積、分子操控、 蝕刻、化學機械研磨，和/或此技藝所知的其它工藝。磁性元件500設定為可 通過自旋扭矩轉(zhuǎn)移來切換自由層508的磁化。圖5a顯示通過自旋扭矩轉(zhuǎn)移來編程磁性元件500的一實施例。最初， 自由層508的磁化反平行于合成反鐵磁體504的鐵磁層504a以及被固定層 512的磁化。從反鐵磁體502往反鐵磁體514的方向，供應電流至磁性元件 500，如指向反鐵磁體514的箭頭所顯示，其顯示電子(e—)的注入。所供應 的電流具有大于臨界電流密度Jc的電流密度。通過自旋扭矩轉(zhuǎn)移，電流切換 自由層508的磁化方向以平行于合成反鐵磁體504的鐵磁層504a以及被固 定層512的磁化。在圖5b中，自由層508的磁化最初平行于合成反鐵磁體504的鐵磁層 504a以及被固定層512的磁化。從反鐵磁體502往反鐵磁體514的方向，供 應電流至磁性元件500，如指向反鐵磁體514的箭頭所顯示，其顯示電子(e—) 的注入。所供應的電流可具有小于臨界電流密度Jc的電流密度。在足夠的時 間內(nèi)供應電流以加熱磁性元件500，特別是加熱自由層508直到自由層508 的強度Hc為足夠低，使得自由層508的磁化變?yōu)槿Q于目前的偏壓場516 以及518。從被固定層512形成偏壓場516。從合成反鐵磁體504的鐵磁層 504a形成偏壓場518。接著，自由層508的磁化將切換方向以反平行于合成 反鐵磁體504的鐵磁層504a以及被固定層512的磁化。因此，描述于圖5b 的熱編程的形成可允許電流的使用與圖5a所提供的電流一樣均為單向。參考圖6a以及圖6b，圖6a、 6b顯示磁性元件600具有垂直的磁化方向， 其磁化方向垂直于膜面。在電流在平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)中，供應電流至磁性元件 600，使得電流平行于磁性元件600的磁化向量。磁性元件600包括自由層 602、間隔層604以及被固定層606。磁性元件600的層大體上可相似于磁性 元件IOO (如先前圖l所描述)的這些層的構(gòu)成以及制造。在一實施例中， 磁性元件600為磁穿隧接面元件。在另一實施例中，磁性元件600為巨磁阻 元件。磁性元件600可被配置，使得磁性元件600可通過使用自旋扭矩轉(zhuǎn)移 而被寫入。圖6a顯示編程磁性元件600的一實施例，使得自由層602的磁化反平 行于被固定層606的磁化。最初，自由層602平行于被固定層606 (兩磁化向量均指向上方)(未顯示)。從自由層602往被固定層606的方向，提供 電流610a至磁性元件600。電流610a具有大于臨界電流密度Jc的電流密度。 因此，自由層602的磁化被切換成反平行于被固定層606的磁化。圖6b顯示編程磁性元件600的一實施例，使得自由層602的磁化平行 于被固定層606的磁化。最初，自由層602反平行于被固定層606 (自由層 602的磁化向量指向下方，而被固定層606的磁化向量指向上方)(未顯示)。 從自由層602往被固定層606的方向，提供電流610b至磁性元件600。電流 610b可具有小于臨界電流密度Jc的電流密度。電流610a小于或等于電流 610b。在足夠的時間內(nèi)供應電流610a以加熱磁性元件600,特別是加熱自由 層602直到自由層602的強度Hc為足夠低，使得自由層602的磁化變?yōu)槿?決于被固定層606的偏壓場608。接著，自由層602的磁化被切換成平行于 被固定層606的磁化。因此，描述于圖6b的熱編程的形成可允許電流的使 用與圖6a所提供的電流一樣均為單向。圖7顯示編程磁性存儲器元件的方法700的一實施例。方法700開始于 步驟702，其中步驟702提供一磁性存儲器元件。所提供的磁性存儲器元件 可以是先前圖1、 3a、 3b、 4a、 4b、 5a、 5b、 6a以及6b分別所描述的磁性元 件100、 300、 400、 500和/或600。所提供的磁性存儲器元件包括自由層(或 儲存層)，其中自由層的磁化方向可自由旋轉(zhuǎn)。磁性元件可被包含在磁性存 儲器單元內(nèi)。磁性存儲器單元可被包含在形成磁性存儲器裝置的存儲器單元 的陣列中。接著，進行方法700的步驟704，其中步驟704供應第一電流至 磁性元件。所供應的第一電流具有大于臨界電流密度Jc的第一電流密度。第 一電流來自于第一方向。接著，繼續(xù)步驟706，其中步驟706使用步驟704 所提供的第一電流來切換磁性元件中自由層的磁化方向。通過自旋扭矩轉(zhuǎn)移 可切換自由層。接著，繼續(xù)方法700的步驟708，其中步驟708停止供應第 一電流。在一實施例中，供應第一電流的時間約為5ns。在一實施例中，介 于方法700的步驟708以及步驟710之間的時間約不大于300ns。在一實施 例中，在步驟706中也提供切換磁性元件內(nèi)自由層的磁化以平行于參考(被 固定)層的磁化。在此實施例中，平行磁化提供磁性元件的低電阻狀態(tài)。接著，進行方法700的步驟710，其中步驟710供應第二電流至磁性元 件。第二電流與第一電流為相同的單向(單方向)。第二電流的電流密度小于或等于第一電流的電流密度。第二電流的電流密度小于臨界電流密度Jc。接著，繼續(xù)方法700的步驟712，其中步驟712使用第二電流來切換磁性元件中自由層的磁化方向。使用偏壓場可切換自由層的磁化向量。在一實施例中，偏壓場從磁性元件中一個或多個層所產(chǎn)生，例如被固定層或是合成被 固定層(合成反鐵磁體)。所供應的電流對磁性元件加熱，特別是磁性元件的自由層，用以減少自由層的強度Hc。當強度Hc減少時，自由層的磁化方 向變成容易轉(zhuǎn)動。此時，強度Hc被減少，使得自由層的磁化變?yōu)槿Q于目 前的偏壓場。目前的偏壓場可切換自由層的磁化方向。接著，繼續(xù)方法700 的步驟714，其中步驟714中斷第二電流。在一實施例中，在步驟712中也 提供切換磁性元件內(nèi)自由層的磁化以反平行于參考(被固定)層的磁化。在 此實施例中，反平行磁化提供磁性元件的高電阻狀態(tài)。在步驟704以及步驟 710所供應的電流可使用如第3c圖所描述的寫入頻率。方法700可使用于任何順序(例如第二電流的應用優(yōu)先于第一電流)以 及可包括額外的步驟，例如提供讀取由磁性元件所儲存的值。例如，在一實 施例中，在步驟708之后提供讀取電流至磁性元件。讀取電流可確定磁性元 件的低電阻狀態(tài)，以表示"l"被儲存于磁性元件內(nèi)。在一實施例中，在步驟 714之后提供讀取電流至磁性元件。讀取電流可確定磁性元件的高電阻狀態(tài)， 以表示"O"被儲存于磁性元件內(nèi)。因此，提供一種方法可使用單向電流來產(chǎn)生 磁性元件內(nèi)的高電阻狀態(tài)以及低電阻狀態(tài)。本發(fā)明雖以優(yōu)選實施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任 何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可做一些改動與潤 飾，因此本
權(quán)利要求
1.一種編程存儲器陣列的方法，用以編程包括一第一磁性元件以及一第二磁性元件的存儲器陣列，包括提供一第一電流源耦接至所述第一磁性元件，以及提供一第二電流源耦接至所述第二磁性元件；從所述第一電流源供應一第一電流至所述第一磁性元件，其中所述第一電流具有一第一電流密度并來自一第一方向；以及從所述第二電流源供應一第二電流至所述第二磁性元件，其中所述第二電流具有一第二電流密度并來自所述第一方向。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述供應第一電流的步驟提供所述第 一磁性元件的低電阻狀態(tài)，以及其中所述供應第二電流的步驟提供所述第二 磁性元件的高電阻狀態(tài)，其中所述第一電流源不同于所述第二電流源。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二磁性元件包括一自由層以及 一被固定層，以及其中所述供應第二電流至所述第二磁性元件的步驟包括供 應一電流直到所述自由層的強度為足夠低，使得所述自由層的磁化取決于所 述被固定層的偏壓場。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一電流平行于所述第一磁性元 件的被固定層的磁化方向。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中在一第一期間供應所述第一電流以及 在一第二期間供應所述第二電流，而其中所述第一電流密度高于所述第二電 流密度，以及所述第一期間短于所述第二期間。
6. —種編程存儲器陣列的方法，包括 提供至少一存儲器單元，所述存儲器單元包括一磁性元件； 提供至少一電流源耦接至所述磁性元件；以及從至少一所述電流源供應多非零電流位準的一單向電流至所述磁性元件。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述磁性元件包括一被固定層、 一自 由層以及一間隔層，以及其中所述單向電流供應至所述被固定層。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述磁性元件包括一磁場偏壓層，以及其中所述單向電流供應至所述磁場偏壓層，其中所述磁場偏壓層為一合成 反鐵磁體。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述供應單向電流的步驟包括供應一 第一電流位準以及一第二電流位準，其中所述第一電流位準具有大于一臨界 電流密度的電流密度，以及所述第二電流位準具有小于上述臨界電流密度的 電流密度。
10. —種編程存儲器單元的方法，包括 提供一磁性元件耦接至一 電流源；從所述電流源供應一第一電流脈波至所述磁性元件，其中所述第一電流脈波提供所述磁性元件的低電阻狀態(tài)；以及從所述電流源供應一第二電流脈波至所述磁性元件，其中所述第一電流 脈波以及所述第二電流脈波為單向，以及所述第二電流脈波提供所述磁性元 件的高電阻狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種編程存儲器陣列的方法。提供至少一存儲器單元，其中存儲器單元包括磁性元件。提供至少一電流源耦接至磁性元件。從至少一電流源供應多非零電流位準的一單向電流至磁性元件。
文檔編號G11C11/02GK101329897SQ20071018648
公開日2008年12月24日 申請日期2007年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月18日
發(fā)明者王郁仁, 鄧端理, 鄭旭辰 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司