專利名稱：使用磁疇運(yùn)動(dòng)的磁存儲器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁存儲器，更具體地說，涉及在其中可以以陣列存儲由磁疇表示的每個(gè)數(shù)據(jù)位并使用磁疇運(yùn)動(dòng)的磁存儲器。
背景技術(shù)：
磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)是一種非易失性磁存儲器。MRAM是使用基于超微磁材料(nano magnetic material)的旋轉(zhuǎn)依賴導(dǎo)電特征(spin-dependent conduction characteristic)的磁阻效應(yīng)的一種新型固態(tài)磁存儲器。也就是，MRAM使用旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的大磁致電阻(giant magnetoresistance，GMR)或隧道磁致電阻(tunnel magnetoresistance，TMR)，其中該旋轉(zhuǎn)為電子自由度的程度，其對電子傳送具有很大的影響。
GMR是當(dāng)在鐵磁材料/金屬非磁材料/鐵磁材料的鄰接布置中在具有相同磁化方向或不同磁化方向的鐵磁材料之間插入非磁材料時(shí)所產(chǎn)生的電阻差。TMR是與兩個(gè)鐵磁材料具有不同磁化方向情況相比，當(dāng)在鐵磁材料/絕緣物/鐵磁材料的鄰接布置中兩個(gè)鐵磁材料具有相同的磁化方向時(shí)電流容易地流動(dòng)的電阻。由于使用GMR的MRAM具有由磁化方向引起的相對小的電阻差，因此不能達(dá)到大的電壓差。另外，由于MRAM具有與GMR層組合以便形成單元的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的尺寸很大的缺點(diǎn)，因此當(dāng)前更加積極地進(jìn)行使用TMR層的MRAM的商業(yè)化研究。
MRAM可以由作為切換裝置的晶體管和在其中存儲數(shù)據(jù)的磁隧道連接(MTJ)單元構(gòu)成。通常，MTJ單元可以由具有固定(pinned)磁化方向的固定鐵磁層、具有可以與固定鐵磁層的磁化方向平行或反平行的磁化方向的自由鐵磁層和插入在固定鐵磁層和自由鐵磁層之間并磁分離鐵磁層的非磁層構(gòu)成。
然而，由于普通MRAM僅在每個(gè)MTJ單元中存儲一位，因此存在MRAM的數(shù)據(jù)存儲容量的限制。因此，需要新的存儲技術(shù)，以便增加諸如MRAM之類的磁存儲器的信息存儲容量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供具有多個(gè)存儲器軌道的磁存儲器裝置，其中每個(gè)軌道具有在其上形成的多個(gè)磁疇，以便可以在其上的陣列中存儲數(shù)據(jù)位，并且每個(gè)磁疇使用磁疇運(yùn)動(dòng)，并且以多堆疊結(jié)構(gòu)(multi-stacked structure)形成存儲器，由此顯著增加數(shù)據(jù)存儲容量。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供磁存儲器裝置，包括在基片上堆疊來形成多堆棧的多個(gè)存儲器軌道，其中形成多個(gè)磁疇，使得每個(gè)由磁疇構(gòu)成的多個(gè)數(shù)據(jù)位以陣列進(jìn)行存儲；分別形成在多個(gè)存儲器軌道附近的位線；形成在每個(gè)存儲器軌道和每條位線之間以構(gòu)成磁隧道連接(MTJ)單元以及每個(gè)存儲器軌道的一個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域的連接器；電連接到每個(gè)存儲器軌道、并輸入將存儲在存儲器軌道的數(shù)據(jù)位區(qū)域中的數(shù)據(jù)移動(dòng)到相鄰數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁疇運(yùn)動(dòng)信號的第一輸入部分；和從多個(gè)存儲器軌道中選擇要在其上執(zhí)行讀取或?qū)懭氩僮鞯拇鎯ζ鬈壍赖倪x擇部分。
連接器可以包括與存儲器軌道的部分對應(yīng)地形成并具有固定磁化方向的參考層，其中與參考層的有效尺寸對應(yīng)的數(shù)據(jù)位被存儲在存儲器軌道的陣列中。
連接器還可以包括插入在參考層和存儲器軌道之間的非磁層。
非磁層可以是用作隧道勢壘(barrier)的導(dǎo)電層或絕緣層。
選擇部分可以包括分別連接到構(gòu)成存儲器軌道的MTJ單元的數(shù)據(jù)位區(qū)域的多個(gè)混雜區(qū)域(impurity region)；和形成在兩個(gè)混雜區(qū)域之間的柵極，其中選擇部分具有共享晶體管結(jié)構(gòu)，其中至少一個(gè)混雜區(qū)域用作預(yù)定存儲器軌道的漏極并用作其它存儲器軌道的源極，并且每個(gè)混雜區(qū)域經(jīng)由導(dǎo)電插頭(conductive plug)連接到構(gòu)成每個(gè)存儲器軌道的MTJ的數(shù)據(jù)位區(qū)域。
每個(gè)存儲器軌道可以包括具有與要存儲的數(shù)據(jù)位數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)位區(qū)域并存儲多個(gè)數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域；和緩沖器區(qū)域，用于鄰接數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，并且如果需要，則在磁疇運(yùn)動(dòng)期間存儲移動(dòng)到數(shù)據(jù)存儲區(qū)域之外的數(shù)據(jù)。
每個(gè)存儲器軌道可以包括多個(gè)數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，其中緩沖器區(qū)域位于兩個(gè)鄰接的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域之間，而與形成在每個(gè)存儲器軌道上的相應(yīng)多個(gè)數(shù)據(jù)存儲區(qū)域?qū)?yīng)地形成連接器和選擇部分。
存儲器裝置還可以包括第二輸入部分，用于通過位線至少輸入寫入電流信號和讀取電流信號之一。


通過參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的以上和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，在附圖中圖1是圖解根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有多堆疊存儲器軌道的磁存儲器裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2A到2C是圖解當(dāng)對圖1的磁存儲器裝置的第一到第三存儲器軌道執(zhí)行寫入或讀取操作時(shí)的操作狀態(tài)的視圖；圖3A到3C是圖解對根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲裝置的所選擇的軌道執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入操作的視圖；圖4A和4B是圖解對根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲裝置的所選擇的軌道執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取操作的視圖；和圖5是圖解被施加到根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲器裝置的磁疇運(yùn)動(dòng)電流信號脈沖1(運(yùn)動(dòng))、讀取脈沖信號電流脈沖2(讀取)和寫入切換電流信號脈沖2(寫入)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
將參照附圖更加全面地描述本發(fā)明，其中顯示了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。
圖1是圖解根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有多堆疊存儲器軌道的磁存儲器裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖。參照圖1，脈沖1是磁疇運(yùn)動(dòng)信號，而脈沖2是讀取信號和寫入信號之一。
參照圖1，磁存儲器裝置包括在基片上堆疊來形成多堆疊存儲器的第一到第三存儲器軌道10、30和50；分別形成在第一到第三存儲器軌道10、30和50附近的第一到第三位線20、40和60；分別形成在第一到第三存儲器軌道10、30和50與第一到第三位線20、40和60之間的第一到第三連接部分15、35和55；電連接到第一到第三存儲器軌道10、30和50并輸入磁疇運(yùn)動(dòng)信號的第一輸入部分80；和從第一到第三存儲器軌道10、30和50中選擇要在其上執(zhí)行讀取或?qū)懭氩僮鞯拇鎯ζ鬈壍赖倪x擇部分90。
在如圖1所示的磁存儲器裝置中，將選擇部分90形成在基片1上，而將第一存儲器軌道10、第一位線20、第二存儲器軌道30、第二位線40、第三存儲器軌道50和第三位線60順序堆疊在選擇部分90上。可以在上述元件的層之間插入絕緣層。在圖1的元件之間的空的(empty)空間是絕緣層。由于可以以各種方法制造該分層結(jié)構(gòu)，因此，將省略制造該分層結(jié)構(gòu)的方法的描述。
第一到第三存儲器軌道10、30和50是記錄層，并且形成它們來具有面內(nèi)磁化方向和垂直磁化方向之一和要切換的磁化方向。第一到第三存儲器軌道10、30和50中的每一個(gè)具有多個(gè)磁疇，使得可以將由一個(gè)磁疇構(gòu)成的數(shù)據(jù)位存儲在數(shù)據(jù)位的陣列中。這里，第一到第三存儲器軌道10、30和50中的每一個(gè)可以具有多個(gè)磁疇壁(magnetic domain wall)，通過該磁疇壁來形成多個(gè)磁疇。
第一到第三連接器15、35和55分別形成在第一到第三存儲器軌道與第一到第三位線之間，以形成磁隧道連接(MTJ)單元以及第一到第三存儲器軌道10、30和50的數(shù)據(jù)位區(qū)域11、31和51。第一到第三連接器15、35和55中的每一個(gè)的一端分別接觸到第一到第三位線20、40和60。第一到第三連接器15、35和55中的每一個(gè)的另一端分別接觸到第一到第三存儲器軌道10、30和50的部分(即，構(gòu)成MTJ單元的預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域11、31和51)。
為了形成MTJ單元，第一到第三連接器15、35和55中的每一個(gè)具有與第一到第三存儲器軌道10、30和50的每一個(gè)的部分對應(yīng)地形成的參考層19，該參考層19具有固定磁化方向。參考層19可以具有固定面內(nèi)磁化方向和固定的垂直磁化方向之一。第一到第三連接器15、35和55中的每一個(gè)還可以包括位于參考層19與第一到第三存儲器軌道10、30和50的每一個(gè)之間的非磁層17。該非磁層17可以是諸如Cu之類的導(dǎo)電層和諸如用作隧道勢壘的氧化鋁層之類的絕緣層。
這里，第一到第三存儲器軌道10、30和50中的每一個(gè)具有可切換磁化方向，而參考層19具有固定磁化方向。為了該目的，可以將參考層19形成為具有由諸如IrMn和PtMn之類的反鐵磁材料制造的多層薄膜結(jié)構(gòu)。作為另一實(shí)例，當(dāng)用相同材料形成第一到第三存儲器軌道10、30和50以及參考層19中的每一個(gè)時(shí)，可以將第一到第三存儲器軌道形成為具有相對小的抗磁力(coercive force)，并且可以將參考層19形成為具有相對大的抗磁力?？梢酝ㄟ^改變用于形成第一到第三存儲器軌道10、30和50以及參考層19的材料的元素的混合比來控制抗磁力。
由形成在第一到第三存儲器軌道10、30和50的每一個(gè)中的磁疇構(gòu)成的每個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域表示1位數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域可以具有與第一到第三連接器15、35和55中的每一個(gè)的參考層19的有效尺寸對應(yīng)的尺寸。因此，可以將由具有與參考層19的有效尺寸對應(yīng)的尺寸的磁疇構(gòu)成的數(shù)據(jù)位存儲在第一到第三存儲器軌道10、30和50上的陣列中。這里，表示1位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位區(qū)域可以由單一磁疇構(gòu)成。
在根據(jù)本發(fā)明的磁疇存儲器中，可以通過與參考層19的有效尺寸對應(yīng)的、第一到第三存儲器軌道10、30和50中的每一個(gè)的區(qū)域單元來執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入操作或所存儲的數(shù)據(jù)讀取操作。因此，參考層19的有效面積實(shí)際上確定第一到第三存儲器軌道10、30和50中每一個(gè)的一個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域(即，磁疇)的尺寸。
由于最好在一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域中僅存在單一磁疇，可以將因此在第一到第三存儲器軌道10、30和50的每一個(gè)中形成的磁疇形成為具有至少與參考層19的有效尺寸對應(yīng)的尺寸。
此外，可以將第一到第三存儲器軌道10、30和50形成為具有多個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域的倍數(shù)的長度，其中每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域具有與參考層19的有效尺寸對應(yīng)的尺寸，即，磁疇運(yùn)動(dòng)方向的寬度。因此，形成多個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域的陣列，使得可以將多個(gè)數(shù)據(jù)位存儲在第一到第三存儲器軌道10、30和50中的每一個(gè)的陣列上，其中每個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域由以參考層19的有效尺寸為單位的單一磁疇構(gòu)成。
參照圖1，第一到第三存儲器軌道10、30和50中的每一個(gè)包括數(shù)據(jù)存儲區(qū)域71，其具有與要存儲的數(shù)據(jù)位數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)位區(qū)域數(shù)，并且存儲多個(gè)數(shù)據(jù)位；和與數(shù)據(jù)存儲區(qū)域71鄰接的緩沖器區(qū)域75，用于在磁疇運(yùn)動(dòng)期間臨時(shí)存儲移動(dòng)到數(shù)據(jù)存儲區(qū)域71之外的數(shù)據(jù)。緩沖器區(qū)域75可以位于數(shù)據(jù)存儲區(qū)域71的至少一側(cè)。這里，可以不將第一到第三存儲器軌道10、30和50中的每一個(gè)劃分為數(shù)據(jù)存儲區(qū)域和緩沖器區(qū)域。
此外，在根據(jù)本發(fā)明當(dāng)前實(shí)施例的磁存儲器裝置中，第一到第三存儲器軌道10、30和50中的每一個(gè)可以包括多個(gè)數(shù)據(jù)存儲區(qū)域71?？梢詫⒕彌_器區(qū)域75插入在連續(xù)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域71之間，此處，如圖1所示，可以分別與第一到第三存儲器軌道10、30和50中形成的多個(gè)數(shù)據(jù)存儲區(qū)域71對應(yīng)地布置第一到第三連接器15、35和55以及選擇部分90。
選擇部分90用于從第一到第三存儲器軌道10、30和50中選擇要在其上執(zhí)行讀取或?qū)懭氩僮鞯拇鎯ζ鬈壍?。選擇部分90包括每一個(gè)都連接到構(gòu)成第一到第三存儲器軌道10、30和50的MTJ單元的數(shù)據(jù)位區(qū)域11、31、和51的第一到第三混雜區(qū)域91、93和93；和分別形成在第一和第二混雜區(qū)域91和93之間，以及在第二和第三混雜區(qū)域93和95之間的第一柵極G1和第二柵極G2(字線)。選擇部分90可以具有共享晶體管的結(jié)構(gòu)，使得至少混雜區(qū)域之一用作預(yù)定存儲器軌道的漏極，而另一混雜區(qū)域用作另一預(yù)定存儲器軌道的源極。
例如，第一混雜區(qū)域91、第一柵極G1和第二混雜區(qū)域93可以用作第一和第二存儲器軌道10和30的晶體管Tr1和Tr2。另一方面，第二混雜區(qū)域93、第二柵極G2和第三混雜區(qū)域95可以用作第三存儲器軌道50的晶體管Tr3。以這種方式，對于第一存儲器軌道10，第一混雜區(qū)域91用作源極，而第二混雜區(qū)域93用作漏極。此外，對于第二存儲器軌道30，第一混雜區(qū)域91用作漏極，而第二混雜區(qū)域93用作源極。類似地，對于第三存儲器軌道50，第二混雜區(qū)域93用作漏極，而第三混雜區(qū)域95用作源極。
在另一布置中，第一混雜區(qū)域91、第一柵極G1和第二混雜區(qū)域93可以用作第一存儲器軌道10的晶體管Tr1。此外，第二混雜區(qū)域93、第二柵極G2和第三混雜區(qū)域95可以用作第二和第三存儲器軌道30和50的晶體管Tr2和Tr3。
這里，基片1可以是半導(dǎo)體基片。在基片1上形成第一和第二柵極G1和G2(其每一個(gè)都具有包含柵極絕緣層和柵極電極的分層結(jié)構(gòu))，并且將第一和第二柵極G1和G2之間的部分以及位于第一和第二柵極G1和G2的旁邊的基片1的部分摻雜(dope)雜質(zhì)，以形成用作源極和漏極的第一到第三混雜區(qū)域91、93和95，使得形成共享晶體管結(jié)構(gòu)。在將具有共享晶體管結(jié)構(gòu)的選擇部分90形成在基片上之后，形成在其中順序堆疊第一存儲器軌道10、第一連接器15、第一位線20、第二存儲器軌道30、第二連接器35、第二位線40、第三存儲器軌道50、第三連接器55和第三位線60的堆疊結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，如上所述，除了用于與其它元件連接和電連接的部分之外，第一到第三存儲器軌道10、30和50、第一到第三連接器15、35和55以及第一到第三位線20、40和60被絕緣材料包圍?？梢栽趯又g形成絕緣層。
第一到第三混雜區(qū)域91、93和95分別經(jīng)由導(dǎo)電插頭86、87和88電連接到構(gòu)成第一到第三存儲器軌道10、30和50的MTJ單元的預(yù)定的數(shù)據(jù)位區(qū)域11、31和51。導(dǎo)電插頭86、87和88中的每一個(gè)的一端分別接觸第一到第三混雜區(qū)域91、93和95。導(dǎo)電插頭86、87和88中的每一個(gè)的其它端接觸構(gòu)成第一到第三存儲器軌道10、30和50的MTJ單元的預(yù)定的數(shù)據(jù)位區(qū)域11、31和51。
由于將選擇部分形成為具有共享晶體管結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)與針對第一到第三存儲器軌道10、30和50中的每一個(gè)形成晶體管的情況相比，可以簡化選擇部分90的結(jié)構(gòu)。也就是，當(dāng)針對第一到第三存儲器軌道10、30和50分別形成晶體管時(shí)，需要三個(gè)柵極和六個(gè)混雜區(qū)域。另一方面，當(dāng)使用共享晶體管結(jié)構(gòu)時(shí)，可以僅用兩個(gè)柵極和三個(gè)混雜區(qū)域執(zhí)行選擇第一到第三存儲器軌道10、30和50之一的操作。
另一方面，第一輸入部分80電連接到第一到第三存儲器軌道10、30和50，以便移動(dòng)第一到第三存儲器軌道10、30和50的磁疇，因此將存儲在數(shù)據(jù)位區(qū)域中的(即，存儲在面內(nèi)磁化或垂直磁化中的)數(shù)據(jù)移動(dòng)到鄰接數(shù)據(jù)位區(qū)域。可以在第一輸入部分80與第一到第三存儲器軌道10、30和50之間進(jìn)一步提供開關(guān)(未示出)，使得僅將磁疇運(yùn)動(dòng)信號輸入到所選擇的預(yù)定存儲器軌道中。
將磁疇運(yùn)動(dòng)信號(脈沖1)通過第一輸入部分80施加到第一到第三存儲器軌道10、30和50。根據(jù)磁疇運(yùn)動(dòng)信號(即，通過第一輸入部分80輸入的運(yùn)動(dòng)電流信號)將磁疇的磁化方向移動(dòng)到鄰接磁疇。這樣的運(yùn)動(dòng)被稱為磁疇運(yùn)動(dòng)。
如圖5所示，磁疇運(yùn)動(dòng)信號可以是具有預(yù)定周期的脈沖的電流信號?？梢暂斎氪女犨\(yùn)動(dòng)信號，使得由包括單一磁疇的數(shù)據(jù)位區(qū)域單元執(zhí)行磁疇運(yùn)動(dòng)。這里，由于磁疇運(yùn)動(dòng)實(shí)際上將預(yù)定磁疇的磁化方向移動(dòng)到鄰接磁疇，因此，可以在由數(shù)據(jù)位區(qū)域單元執(zhí)行磁疇運(yùn)動(dòng)的同時(shí)維持運(yùn)動(dòng)信號，并且周期地施加運(yùn)動(dòng)信號以便由數(shù)據(jù)位區(qū)域單元執(zhí)行磁疇運(yùn)動(dòng)。
此外，可以構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明當(dāng)前實(shí)施例的磁存儲器裝置，使得可以通過施加電流執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入操作和數(shù)據(jù)讀取操作中的至少一個(gè)，最好執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入操作和數(shù)據(jù)讀取操作二者。
為了該目的，磁存儲器裝置還可以包括第二輸入部分85，用于經(jīng)由第一到第三位線20、40和60輸入寫入電流信號和讀取電流信號中的至少一個(gè)到MTJ單元。與使用電極板(pad)將磁場施加到MTJ單元以便執(zhí)行寫入操作的普通磁存儲器裝置相比，根據(jù)本發(fā)明的磁存儲器不需要電極板。在根據(jù)本發(fā)明的磁存儲器裝置中，可以將連接器15、35和55、構(gòu)成MTJ單元的第一到第三存儲器軌道10、30和50的預(yù)定的數(shù)據(jù)位區(qū)域11、31和51以及將預(yù)定的數(shù)據(jù)位區(qū)域11、31、和51分別與選擇部分90的混雜區(qū)域91、93和95相連接的導(dǎo)電插頭86、87和88布置在線中，使得可以進(jìn)一步簡化磁存儲器裝置的結(jié)構(gòu)。
將在下面作為例子描述根據(jù)本發(fā)明的允許通過施加電流而執(zhí)行的數(shù)據(jù)寫入操作和數(shù)據(jù)讀取操作磁存儲器裝置。
第二輸入部分電連接到第一到第三位線20、40和60。因此，第二輸入部分85經(jīng)由第一到第三存儲器軌道10、30和50的預(yù)定的數(shù)據(jù)位區(qū)域11、31和51電連接到構(gòu)成MTJ單元的第一到第三存儲器軌道10、30和50以及參考層19。
還可以在第二輸入部分85與第一到第三位線20、40和60之間提供開關(guān)(未示出)，使得僅將寫入信號和讀取信號之一輸入到通過所選擇的位線選擇的預(yù)定存儲器軌道。
圖2A是圖解當(dāng)對圖1的磁存儲器裝置的第一存儲器軌道10執(zhí)行寫入或讀取操作時(shí)的操作狀態(tài)的視圖。當(dāng)對第一存儲器軌道10執(zhí)行寫入或讀取操作時(shí)，第一柵極G1導(dǎo)通，第二柵極G2截止，并且將來自第二輸入部分85的寫入信號或讀取信號輸入到第一位線20。此處，第一混雜區(qū)域91用作源極，而第二混雜區(qū)域93用作漏極。
圖2B是圖解當(dāng)對圖1的磁存儲器裝置的第二存儲器軌道30執(zhí)行寫入或讀取操作時(shí)的操作狀態(tài)的視圖。當(dāng)對第二存儲器軌道30執(zhí)行寫入或讀取操作時(shí)，第一柵極G1導(dǎo)通，第二柵極G2截止，并且將來自第二輸入部分85的寫入信號或讀取信號輸入到第二位線40。此處，第一混雜區(qū)域91用作漏極，而第二混雜區(qū)域93用作源極。
這里，可以將選擇部分90的第二混雜區(qū)域93、第二柵極G2和第三混雜區(qū)域95用作用于第二和第三軌道30和50的晶體管，其中第一柵極G1截止，而第二柵極G2導(dǎo)通。
圖2C是圖解當(dāng)對圖1的磁存儲器裝置的第三存儲器軌道50執(zhí)行寫入或讀取操作時(shí)的操作狀態(tài)的視圖。當(dāng)對第三存儲器軌道50執(zhí)行寫入或讀取操作時(shí)，第一柵極G1截止，第二柵極G2導(dǎo)通，并且將來自第二輸入部分85的寫入信號和讀取信號之一輸入到第三位線60。此處，第二混雜區(qū)域93用作漏極，而第三混雜區(qū)域95用作源極。
與磁疇運(yùn)動(dòng)信號同步輸入寫入或讀取信號。
在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲器裝置中，根據(jù)從第一輸入部分80施加到所選擇的存儲器軌道的磁疇運(yùn)動(dòng)信號(脈沖1)和通過所選擇的位線與該磁疇運(yùn)動(dòng)信號(脈沖1)同步地從第二輸入部分85施加到構(gòu)成所選擇的存儲器軌道的MTJ單元的預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域的寫電流信號(如，圖5的脈沖2(寫入))，移動(dòng)所選擇的存儲器軌道的連續(xù)磁疇，并且將數(shù)據(jù)位(即，“0”或“1”)記錄在構(gòu)成所選擇的存儲器軌道的MTJ單元的預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域(位于與參考層19對應(yīng)的預(yù)定位置的磁疇)上。此處，使用旋轉(zhuǎn)傳遞矩(spin transfer torque)(即，根據(jù)寫入電流信號的電流感應(yīng)磁切換(CIMS))來選擇性反轉(zhuǎn)磁化，使得記錄數(shù)據(jù)位，即“0”或“1”。
通過從第一到第三位線20、40和60選擇的一個(gè)位線將寫入信號從第二輸入部分85輸入到所選擇的存儲器軌道的預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域和參考層19。根據(jù)該寫入信號確定位于參考層19之下的所選擇的存儲器軌道的預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向。
根據(jù)從第二輸入部分85輸入的寫入信號確定預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向。例如，當(dāng)預(yù)定的數(shù)據(jù)位區(qū)域具有預(yù)定的磁化方向時(shí)，根據(jù)所施加的寫入信號來反轉(zhuǎn)預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向，或者保持原始磁化方向。以這種方式確定的磁化方向表示被記錄的數(shù)據(jù)位。
參照圖5，寫入信號是脈沖類型切換電流。根據(jù)切換電流的極性來選擇性切換所選擇的存儲器軌道的預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向，并且與切換信號的極性對應(yīng)，將數(shù)據(jù)位(即，“0”或“1”)存儲在預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域中。
例如，假設(shè)當(dāng)通過施加切換電流，預(yù)定的數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向與參考層19的磁化方向相同(即，平行)時(shí)，將數(shù)據(jù)位確定為“0”，當(dāng)通過施加具有相反極性的切換電流，預(yù)定的數(shù)據(jù)位區(qū)域具有與參考層19的磁化方向反平行的磁化方向時(shí)，可以將數(shù)據(jù)位確定為“1”。因此，通過改變切換電流的極性來允許預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向與參考層19的磁化方向相同或與參考層19的磁化方向相反，以存儲數(shù)據(jù)。
這里，預(yù)先確定參考層19的磁化方向。因此，假設(shè)當(dāng)所選擇的存儲器軌道的預(yù)定的數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向與預(yù)先定義的參考層19的磁化方向平行時(shí)數(shù)據(jù)位為“0”，而當(dāng)預(yù)定的數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向與參考層19的磁化方向反平行時(shí)數(shù)據(jù)位為“1”，可以通過切換存儲器軌道的預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向來存儲期望的數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的磁存儲器裝置，移動(dòng)磁疇，并且根據(jù)從第一輸入部分80施加到所選擇的存儲器軌道的磁疇運(yùn)動(dòng)信號(脈沖1)和通過所選擇的位線與該磁疇運(yùn)動(dòng)信號(脈沖1)同步地從第二輸入部分85施加到所選擇的存儲器軌道的MTJ單元(預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域和參考層19)的讀取電流信號(如，用于讀取的脈沖類型電流信號(圖5中的脈沖2(讀取)))，使用例如旋轉(zhuǎn)隧道來讀取存儲在所選擇的存儲器軌道上的數(shù)據(jù)。
根據(jù)所選擇的存儲器軌道的預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向，關(guān)于參考層19的磁化方向，通過測量通過電路的強(qiáng)度的變化或預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域的電阻來讀取數(shù)據(jù)。
參照圖5，讀取脈沖電流可以具有比用于寫入的切換電流更小的幅度。與磁疇運(yùn)動(dòng)信號同步地施加讀取脈沖電流。因此，可以參考位于參考層19上的預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向使用磁疇運(yùn)動(dòng)來讀取所存儲的數(shù)據(jù)。
在根據(jù)本發(fā)明的具有上述結(jié)構(gòu)的磁存儲器中，可以交替地輸入寫入切換電流或讀取脈沖電流，以及輸入運(yùn)動(dòng)信號的脈沖。因此，可以交替地執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入操作或所存儲的數(shù)據(jù)讀取操作以及磁疇運(yùn)動(dòng)，使得將多個(gè)數(shù)據(jù)位順序地存儲在多個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域上，或者順序地讀取存儲在多個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域上的多個(gè)數(shù)據(jù)位。將參照圖3A到3C與4A和4B來在下面描述存儲器軌道(如從磁存儲器裝置的第一到第三存儲器軌道10、30和50中選擇的第一存儲器軌道10)數(shù)據(jù)寫入操作或所存儲的數(shù)據(jù)讀取操作。這里，將描述存儲器軌道的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域71包括六個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域的情況。
圖3A到3C是圖解對根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲裝置的所選擇的軌道上執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入操作的視圖；圖4A和4B是圖解對根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲裝置的所選擇的軌道上執(zhí)行所存儲的數(shù)據(jù)讀取操作的視圖；和圖5是圖解被施加到根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲器裝置的磁疇運(yùn)動(dòng)信號脈沖(運(yùn)動(dòng))、讀取脈沖信號脈沖2(讀取)和寫入切換電流信號脈沖2(寫入)的示意圖。在圖5中，水平軸是時(shí)間軸t。
以下面的方式執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入操作。當(dāng)將切換電流施加到如圖3A所示地選擇的第一存儲器軌道10的第三數(shù)據(jù)位區(qū)域D3時(shí)，如圖3B所示，第三數(shù)據(jù)位區(qū)域D3的磁化方向被反轉(zhuǎn)。之后，如圖3C所示，當(dāng)將磁疇電流施加到第一存儲器軌道10時(shí)，各個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向被分別移動(dòng)到鄰接數(shù)據(jù)位區(qū)域。也就是，圖3B所示的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域71的第一到第六數(shù)據(jù)位區(qū)域D1、D2、D3、D4、D5和D6的磁化方向被分別移動(dòng)(橫越一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域)到圖3C所示的第二到第六數(shù)據(jù)位區(qū)域D2、D3、D4、D5、D6和鄰接緩沖器區(qū)域75的第一數(shù)據(jù)位區(qū)域B1。
如上所述，定義預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域11的磁化方向，并且在預(yù)定時(shí)間過后將預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域11的數(shù)據(jù)(磁化方向)移動(dòng)到鄰接數(shù)據(jù)位區(qū)域，即，第四數(shù)據(jù)位區(qū)域D4，并且再次將寫入信號輸入到預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域11來再次定義磁化方向。如圖5所示，使用周期施加的磁疇運(yùn)動(dòng)電流和與磁疇運(yùn)動(dòng)電流同步周期施加的寫入切換電流，交替地執(zhí)行這樣的定義磁化方向和運(yùn)動(dòng)處理，使得將多個(gè)數(shù)據(jù)位記錄在第一存儲器軌道10的多個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域上的陣列中。在完成了記錄操作后，可以維持?jǐn)?shù)據(jù)存儲位置，或者輸入以反方向移動(dòng)磁疇的運(yùn)動(dòng)信號，使得可以將所存儲的數(shù)據(jù)保持在數(shù)據(jù)存儲區(qū)域71的第一到第六數(shù)據(jù)位區(qū)域D1、D2、D3、D4、D5和D6上。
以下列方式執(zhí)行所存儲的數(shù)據(jù)讀取操作。參照圖4A，將讀取脈沖電流施加到第三數(shù)據(jù)位區(qū)域D3，以便讀取第三數(shù)據(jù)位區(qū)域D3的數(shù)據(jù)。之后，如圖4B所示，當(dāng)將磁疇運(yùn)動(dòng)電流施加到第一存儲器軌道10時(shí)，相應(yīng)數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向被分別移動(dòng)到鄰接數(shù)據(jù)位區(qū)域。也就是，圖4A所示的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域71的第一到第六數(shù)據(jù)位區(qū)域D1、D2、D3、D4、D5和D6的磁化方向被移動(dòng)了一個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域，即，如圖4B所示，被分別移動(dòng)到鄰接緩沖器區(qū)域75的第二到第六數(shù)據(jù)位區(qū)域D2、D3、D4、D5、D6和鄰接緩沖器區(qū)域75的第一數(shù)據(jù)位區(qū)域B1。
如上所述，讀取預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域11的磁化方向，并且在預(yù)定時(shí)間過后預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域11的數(shù)據(jù)(磁化方向)被移動(dòng)到鄰接數(shù)據(jù)位區(qū)域，即，第四數(shù)據(jù)位區(qū)域D4，并且再次將讀取信號輸入到預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域11來執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取操作。如圖5所示，使用周期施加的磁疇運(yùn)動(dòng)電流和與磁疇運(yùn)動(dòng)電流同步周期施加的讀取脈沖電流，交替地執(zhí)行這樣的磁化方向讀取和運(yùn)動(dòng)處理，直到完成存儲在第一存儲器軌道10的預(yù)定多個(gè)數(shù)據(jù)位的讀取為止。在數(shù)據(jù)讀取操作完成之后，可以維持?jǐn)?shù)據(jù)存儲位置，或者輸入以反方向移動(dòng)磁疇的運(yùn)動(dòng)信號，以便將最初存儲在數(shù)據(jù)存儲區(qū)域71的第一到第六數(shù)據(jù)位區(qū)域D1、D2、D3、D4、D5和D6上的數(shù)據(jù)分別返回到第一到第六數(shù)據(jù)位區(qū)域D1、D2、D3、D4、D5和D6，并且保持在那里。
這里，如圖3A到3C和圖4A到4B所示，可以執(zhí)行對第二和第三存儲器軌道30和50的數(shù)據(jù)寫入和讀取操作。
如圖5所示，在讀取操作期間，與沒有極性反轉(zhuǎn)的磁疇運(yùn)動(dòng)信號同步地周期施加讀取脈沖電流。流過隧道勢壘的電流量與當(dāng)將讀取脈沖電流施加到參考層19和第一到第三存儲器軌道10、30和50的預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域11、31和51時(shí)那里的電阻根據(jù)預(yù)定的數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向與參考層19的磁化方向平行還是反平行而不同。例如，當(dāng)?shù)谝坏降谌鎯ζ鬈壍?0、30和50的預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域11、31和51的磁化方向與參考層19平行時(shí)，對應(yīng)的隧道勢壘的電阻比當(dāng)預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域11、31和51的磁化方向與參考層19反平行時(shí)更小。使用這樣的電阻差來讀取存儲在預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域11、31和51中的數(shù)據(jù)。
在以上的描述中，以一個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域?yàn)閱挝粓?zhí)行磁疇運(yùn)動(dòng)，并且交替地執(zhí)行磁疇運(yùn)動(dòng)和數(shù)據(jù)位寫入或讀取操作，提供這些描述僅用于示例性目的，并且可以進(jìn)行各種修改。例如，在移動(dòng)多個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域之后，可以執(zhí)行寫入或讀取操作。
此外，在以上描述中，根據(jù)本發(fā)明的磁存儲器裝置可以將能夠讀取多個(gè)數(shù)據(jù)位的磁裝置(即，MTJ或GMR傳感器)和使用旋轉(zhuǎn)傳遞矩的記錄磁裝置合并到單一裝置中，但是本發(fā)明不限于該特定實(shí)施例。也就是，根據(jù)本發(fā)明的磁裝置可以用作能夠使用磁疇運(yùn)動(dòng)讀取多個(gè)數(shù)據(jù)位的磁裝置(即，MTJ或GMR傳感器)，或者可以用作使用旋轉(zhuǎn)傳遞矩的記錄磁裝置，其能夠使用磁疇運(yùn)動(dòng)記錄多個(gè)數(shù)據(jù)位。
此外，在以上描述中，根據(jù)本發(fā)明的磁裝置通過將寫入電流信號直接施加到MTJ單元來使用旋轉(zhuǎn)傳遞矩執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入操作，其中該MTJ單元由參考層19、位于參考層19上的第一到第三存儲器軌道10、30和50的預(yù)定的數(shù)據(jù)位區(qū)域11、31和51以及插入在它們之間的非磁層17構(gòu)成，但是本發(fā)明不限于該特定實(shí)施例。
也就是，在根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的磁存儲器裝置中，可以通過使用由電流引起的磁場選擇性反轉(zhuǎn)包含在第一到第三存儲器軌道10、30和50中的至少一個(gè)中的預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁疇的磁化方向來記錄數(shù)據(jù)位。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明當(dāng)前實(shí)施例的磁存儲器裝置可以包括產(chǎn)生用于選擇性反轉(zhuǎn)存儲器軌道的預(yù)定數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁化方向的磁場的結(jié)構(gòu)；以及用于讀取存儲在存儲器軌道中的數(shù)據(jù)的FET，來代替直接將寫入或讀取電流信號直接施加到存儲器軌道的第二輸入部分85。
此外，在以上描述中，根據(jù)本發(fā)明之前實(shí)施例的磁存儲器裝置具有第一到第三存儲器軌道10、30和50的多堆疊結(jié)構(gòu)，但是提供這些描述僅用于示例性目的，并且在多堆棧中形成的存儲器軌道數(shù)可以改變。
如上所述，在本發(fā)明的磁存儲器裝置中，提供多個(gè)磁疇，使得可以在陣列中存儲數(shù)據(jù)位。此外，由于提供使用磁疇運(yùn)動(dòng)的存儲器軌道，并且以多堆棧形成存儲器軌道，因此可以增加數(shù)據(jù)存儲容量。
此外，由于使用共享晶體管實(shí)現(xiàn)用于選擇在其上執(zhí)行讀取或?qū)懭氩僮鞯拇鎯ζ鬈壍赖倪x擇部分，因此可以進(jìn)一步簡化選擇部分的結(jié)構(gòu)。
雖然已經(jīng)參照本發(fā)明的示例性實(shí)施例特地顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解可以對其做出各種形式的修改及其細(xì)節(jié)，而不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的宗旨和范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁存儲器裝置，包括在基片上堆疊來形成多堆棧的多個(gè)存儲器軌道，其中，形成多個(gè)磁疇以使得每個(gè)由磁疇構(gòu)成的多個(gè)數(shù)據(jù)位以陣列進(jìn)行存儲；形成在相應(yīng)存儲器軌道附近的多條位線；形成在每個(gè)存儲器軌道和每條位線之間以構(gòu)成磁隧道連接(MTJ)單元以及每個(gè)存儲器軌道的一個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域的連接器；電連接到每個(gè)存儲器軌道、并輸入將存儲在存儲器軌道的數(shù)據(jù)位區(qū)域中的數(shù)據(jù)移動(dòng)到相鄰數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁疇運(yùn)動(dòng)信號的第一輸入部分；和從多個(gè)存儲器軌道中選擇要在其上執(zhí)行讀取或?qū)懭氩僮鞯拇鎯ζ鬈壍赖倪x擇部分。
2.如權(quán)利要求1所述的存儲器裝置，其中連接器包括與存儲器軌道的部分對應(yīng)地形成并具有固定磁化方向的參考層，其中與參考層的有效尺寸對應(yīng)的數(shù)據(jù)位被存儲在存儲器軌道的陣列中。
3.如權(quán)利要求2所述的存儲器裝置，其中連接器還包括插入在參考層和存儲器軌道之間的非磁層。
4.如權(quán)利要求3所述的存儲器裝置，其中非磁層是用作隧道勢壘的導(dǎo)電層或絕緣層。
5.如權(quán)利要求3所述的存儲器裝置，其中選擇部分包括分別連接到構(gòu)成存儲器軌道的MTJ單元的數(shù)據(jù)位區(qū)域的多個(gè)混雜區(qū)域；和形成在兩個(gè)混雜區(qū)域之間的柵極，其中選擇部分具有共享晶體管結(jié)構(gòu)，其中至少一個(gè)混雜區(qū)域周作預(yù)定存儲器軌道的漏極并用作另一存儲器軌道的源極，和每個(gè)混雜區(qū)域經(jīng)由導(dǎo)電插頭連接到構(gòu)成每個(gè)存儲器軌道的MTJ的數(shù)據(jù)位區(qū)域。
6.如權(quán)利要求2所述的存儲器裝置，其中選擇部分包括分別連接到構(gòu)成存儲器軌道的MTJ單元的數(shù)據(jù)位區(qū)域的多個(gè)混雜區(qū)域；和形成在兩個(gè)混雜區(qū)域之間的柵極，其中選擇部分具有共享晶體管結(jié)構(gòu)，其中至少一個(gè)混雜區(qū)域用作預(yù)定存儲器軌道的漏極并用作另一存儲器軌道的源極，和每個(gè)混雜區(qū)域經(jīng)由導(dǎo)電插頭連接到構(gòu)成每個(gè)存儲器軌道的MTJ的數(shù)據(jù)位區(qū)域。
7.如權(quán)利要求1所述的存儲器裝置，其中選擇部分包括分別連接到構(gòu)成存儲器軌道的MTJ單元的數(shù)據(jù)位區(qū)域的多個(gè)混雜區(qū)域；知形成在兩個(gè)混雜區(qū)域之間的柵極，其中選擇部分具有共享晶體管結(jié)構(gòu)，其中至少一個(gè)混雜區(qū)域用作預(yù)定存儲器軌道的漏極并用作另一存儲器軌道的源極，和每個(gè)混雜區(qū)域經(jīng)由導(dǎo)電插頭電連接到構(gòu)成每個(gè)存儲器軌道的MTJ的數(shù)據(jù)位區(qū)域。
8.如權(quán)利要求1所述的存儲器裝置，其中每個(gè)存儲器軌道包括具有與要存儲的數(shù)據(jù)位數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)位區(qū)域并存儲多個(gè)數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域；和緩沖器區(qū)域，用于鄰接數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，并且如果需要，則在磁疇運(yùn)動(dòng)期間存儲移動(dòng)到數(shù)據(jù)存儲區(qū)域之外的數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求8所述的存儲器裝置，其中每個(gè)存儲器軌道包括多個(gè)數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，其中緩沖器區(qū)域位于連續(xù)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域之間，而與形成在每個(gè)存儲器軌道上的相應(yīng)多個(gè)數(shù)據(jù)存儲區(qū)域?qū)?yīng)地形成每個(gè)連接器和選擇部分。
10.如權(quán)利要求9所述的存儲器裝置，還包括第二輸入部分，用于通過位線至少將寫入電流信號和讀取電流信號之一輸入到MTJ單元。
11.如權(quán)利要求8所述的存儲器裝置，還包括第二輸入部分，用于通過位線至少將寫入電流信號和讀取電流信號之一輸入到MTJ單元。
12.如權(quán)利要求1所述的存儲器裝置，還包括第二輸入部分，用于通過位線至少將寫入電流信號和讀取電流信號之一輸入到MTJ單元。
全文摘要
提供磁存儲器裝置。該磁存儲器裝置包括多個(gè)存儲器軌道、位線、連接器、第一輸入部分和選擇部分。多個(gè)存儲器軌道在基片上被堆疊來形成多堆棧。在存儲器軌道中形成多個(gè)磁疇，使得可以由磁疇表示數(shù)據(jù)位并可以以陣列進(jìn)行存儲。位線形成在相應(yīng)存儲器軌道附近。連接器構(gòu)成磁隧道連接(MTJ)單元以及存儲器軌道的一個(gè)數(shù)據(jù)位區(qū)域。第一輸入部分電連接到每個(gè)存儲器軌道，并且輸入將存儲在存儲器軌道的數(shù)據(jù)位區(qū)域中的數(shù)據(jù)移動(dòng)到相鄰數(shù)據(jù)位區(qū)域的磁疇運(yùn)動(dòng)信號。選擇部分從多個(gè)存儲器軌道中選擇要在其上執(zhí)行讀取或?qū)懭氩僮鞯拇鎯ζ鬈壍馈?br> 文檔編號G11C11/02GK101026002SQ20071008497
公開日2007年8月29日 申請日期2007年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月23日
發(fā)明者金起園, 金泰完, 曹永真, 黃仁俊 申請人:三星電子株式會社