交叉矩陣列式磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器及其讀寫方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及存儲(chǔ)器件領(lǐng)域，尤其涉及一種交叉矩陣列式磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器及其讀寫 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來人們利用磁性隧道結(jié)（MTJ，MagneticTunnelJunction)的特性做成磁性 隨機(jī)存儲(chǔ)器，即為MRAM(MagneticRandomAccessMemory)。MRAM是一種新型固態(tài)非易失 性記憶體，它有著高速讀寫的特性。鐵磁性MTJ通常為三明治結(jié)構(gòu)，其中有磁性記憶層，它 可以改變磁化方向以記錄不同的數(shù)據(jù)；位于中間的絕緣的隧道勢(shì)皇層；磁性參考層，位于 隧道勢(shì)皇層的另一側(cè)，它的磁化方向是不變的。當(dāng)磁性記憶層與磁性參考層之間的磁化強(qiáng) 度矢量方向平行或反平行時(shí)，MTJ元件的電阻態(tài)也相應(yīng)分別為低阻態(tài)或高阻態(tài)。這樣測(cè)量 MTJ元件的電阻態(tài)即可得到存儲(chǔ)的信息。
[0003] 已有一種方法可以得到高的磁電阻（MR，MagnetoResistance)率：在非晶結(jié)構(gòu)的 磁性膜的表面加速晶化形成一層晶化加速膜。當(dāng)此層膜形成后，晶化開始從隧道勢(shì)皇層一 側(cè)形成，這樣使得隧道勢(shì)皇層的表面與磁性表面形成匹配，這樣就可以得到高M(jìn)R率。
[0004] 一般通過不同的寫操作方法來對(duì)MRAM器件進(jìn)行分類。傳統(tǒng)的MRAM為磁場(chǎng)切換型 MRAM:在兩條交叉的電流線的交匯處產(chǎn)生磁場(chǎng)，可改變MTJ元件的磁性記憶層的磁化強(qiáng)度 方向。自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（STT-MRAM，Spin-transferTorqueMagneticRandom AccessMemory)則采用完全不同的寫操作，它利用的是電子的自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移，即自旋極 化的電子流把它的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移給磁性記憶層中的磁性材料。磁性記憶層的容量越小，需要 進(jìn)行寫操作的自旋極化電流也越小。所以這種方法可以同時(shí)滿足器件微型化與低電流密 度。STT-MRAM具有高速讀寫、大容量、低功耗的特性，有潛力在電子芯片產(chǎn)業(yè)，尤其是移動(dòng)芯 片產(chǎn)業(yè)中，替代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體記憶體以實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約與數(shù)據(jù)的非易失性。
[0005] 對(duì)于目前的面內(nèi)型STT-MRAM(其中MTJ元件的易磁化方向在面內(nèi)）來說，受面內(nèi) 型MTJ元件的特性所限，單一元件尺寸一般較大，并且相鄰MTJ元件需要有較大間距，以避 免相互間的磁場(chǎng)干擾。因此，限制了面內(nèi)型STT-MRAM產(chǎn)品集成度的提升。
[0006] 垂直型磁性隧道結(jié)（PMTJ，PerpendicularMagneticTunnelJunction)即磁矩垂 直于襯底表面的磁性隧道結(jié)，在這種結(jié)構(gòu)中，由于兩個(gè)磁性層的磁晶各向異性比較強(qiáng)（不 考慮形狀各向異性），使得其易磁化方向都垂直于層表面。在同樣的條件下，元件尺寸可以 做得比面內(nèi)型MTJ元件更小，易磁化方向的磁極化誤差可以做的很小，并且MTJ元件尺寸的 減小使所需的切換電流也可相應(yīng)減小。另一方面，在存儲(chǔ)器陣列中，相鄰垂直型MTJ的安 全間距較之面內(nèi)型MTJ也可大為縮小。從而垂直型STT-MRAM(pSTT-MRAM，perpendicular Spin-transferTorqueMagneticRandomAccessMemory)較之面內(nèi)型STT-MRAM，其集成 度有非常大的提升空間。
[0007] 但在現(xiàn)有的STT-MRAM結(jié)構(gòu)中，每個(gè)記憶單元的MTJ元件通常會(huì)連接一個(gè)三極管作 為電流流向選擇器，如使用M0S管，通過M0S管的導(dǎo)通和截止以實(shí)現(xiàn)電流導(dǎo)向，從而可以通 過相應(yīng)的寫電流來設(shè)置MTJ元件的高、低電阻態(tài)，也即寫入了存儲(chǔ)信息，以及根據(jù)讀電流的 大小來判斷MTJ元件的電阻態(tài)，也即讀出了存儲(chǔ)信息。
[0008] 對(duì)于面內(nèi)型STT-MRAM來說，基于面內(nèi)型MTJ元件的尺寸及其相互間距的要求，三 極管的尺寸不是提高面內(nèi)型STT-MRAM集成度的主要瓶頸，或者說縮小三極管的尺寸，對(duì)于 面內(nèi)型STT-MRAM集成度的提升程度有限。而對(duì)于垂直型STT-MRAM情況卻恰恰相反，垂直 型MTJ元件的尺寸及其相互間距較之面內(nèi)型MTJ元件已大為縮小，此時(shí)集成度的提升幾乎 完全取決于三極管的尺寸大小，即使使用當(dāng)前最先進(jìn)的工藝（線寬），三極管的尺寸仍遠(yuǎn)大 于垂直型MTJ元件，同時(shí)三極管制造工藝相對(duì)也比較復(fù)雜，提高了產(chǎn)品的制造成本。
[0009] 因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種高集成、高性能、成本節(jié)省的STT-MRAM 廣品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種交叉矩陣列式磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器， 其包括若干第一向?qū)Ь€、與所述若干第一向?qū)Ь€間隔且交叉設(shè)置的若干第二向?qū)Ь€，以及 由所述若干第一向?qū)Ь€和所述若干第二向?qū)Ь€相互交叉所限定的若干交叉節(jié)點(diǎn)；每個(gè)所述 交叉節(jié)點(diǎn)均設(shè)置有磁記憶單元，所述磁記憶單元分別與其所處交叉節(jié)點(diǎn)處的第一向?qū)Ь€和 第二向?qū)Ь€電連接；所述磁記憶單元包括串聯(lián)連接的磁電阻元件、第一二極管和第二二極 管，并且所述第一二極管和所述第二二極管的極性連接方向相反，即向所述磁記憶單元加 載電壓時(shí)，所述第一二極管和所述第二二極管中的一個(gè)被加載正向電壓、另一個(gè)被加載反 向電壓；所述磁電阻元件可通過流經(jīng)其中的電流來改變其電阻態(tài)。
[0011] 進(jìn)一步地，所述磁電阻元件包括面內(nèi)型磁性隧道結(jié)或垂直型磁性隧道結(jié)。
[0012] 通常的面內(nèi)型磁性隧道結(jié)包括：
[0013] 磁性參考層，所述磁性參考層的磁化方向不變且磁各向異性平行于層表面；
[0014] 磁性記憶層，所述磁性記憶層的磁化方向可變且磁各向異性平行于層表面；
[0015] 隧道勢(shì)皇層，所述隧道勢(shì)皇層位于所述磁性參考層和所述磁性記憶層之間且分別 與所述磁性參考層和所述磁性記憶層相鄰。
[0016] 通常的垂直型磁性隧道結(jié)包括：
[0017] 磁性參考層，所述磁性參考層的磁化方向不變且磁各向異性垂直于層表面；
[0018] 磁性記憶層，所述磁性記憶層的磁化方向可變且磁各向異性垂直于層表面；
[0019] 隧道勢(shì)皇層，所述隧道勢(shì)皇層位于所述磁性參考層和所述磁性記憶層之間且分別 與所述磁性參考層和所述磁性記憶層相鄰。
[0020] 進(jìn)一步地，所述第一二極管和所述第二二極管由淀積的薄膜所形成。
[0021] 進(jìn)一步地，所述第一二極管、所述第二二極管和所述磁電阻元件的圖案化使用同 一塊掩膜版。
[0022] 進(jìn)一步地，所述第一二極管和所述第二二極管組成NPN管或PNP管，NPN管或PNP 管即可看作一對(duì)背靠背連接的二極管本發(fā)明還提供了上述磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀寫方法，其 中對(duì)于任一交叉節(jié)點(diǎn)的磁記憶單元采用以下讀寫操作：
[0023] 寫操作：在交叉節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的第一向?qū)Ь€和第二向?qū)Ь€上加載寫電壓，產(chǎn)生的寫 電流流經(jīng)對(duì)應(yīng)的磁電阻元件以改變其電阻態(tài)；
[0024] 讀操作：在交叉節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的第一向?qū)Ь€和第二向?qū)Ь€上加載讀電壓，產(chǎn)生讀電 流，所述讀電流不足以改變其所流經(jīng)的磁電阻元件的電阻態(tài)。
[0025] 進(jìn)一步地，所述寫操作或讀操作時(shí)，所述寫電壓使所述第一二極管和所述第二二 極管中的一個(gè)正向?qū)?、另一個(gè)反向擊穿。本文中所提到的二極管的反向擊穿，限于在反向 電壓去掉后二極管可以恢復(fù)到原始狀態(tài)，而不會(huì)導(dǎo)致二極管擊穿損壞。
[0026] 本發(fā)明提供了另一種交叉矩陣列式磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器，其包括若干第一向?qū)Ь€、與 所述若干第一向?qū)Ь€間隔且交叉設(shè)置的若干第二向?qū)Ь€，以及由所述若干第一向?qū)Ь€和所 述若干第二向?qū)Ь€相互交叉所限定的若干交叉節(jié)點(diǎn)；每個(gè)所述交叉節(jié)點(diǎn)均設(shè)置有磁記憶單 元，所述磁記憶單元分別與其所處交叉節(jié)點(diǎn)處的第一向?qū)Ь€和第二向?qū)Ь€電連接；所述磁 記憶單元包括磁電阻元件、第一二極管和第二二極管，并且所述第一二極管的陰極、所述第 二二極管的陽極和所述磁電阻元件電連接，所述第一二極管的陽極和所述第二二極管的陰 極電連接，即所述第一二極管和所述第二二極管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)與所述磁電阻元件電連接；所 述磁電阻元件可通過流經(jīng)其中的電流來改變其電阻態(tài)。
[0027] 進(jìn)一步地，所述磁電阻元件包括面內(nèi)型磁性隧道結(jié)或垂直型磁性隧道結(jié)。
[0028] 進(jìn)一步地，所述第