[发明专利]一种平面型STT-MRAM记忆单元及其读写方法

说明书

本发明提供一种平面型STT‑MRAM记忆单元。此STT‑MRAM记忆单元包括：磁性参考层、磁性记忆层、隧道势垒层、磁晶优化辅助层、置压层和控制线；磁晶优化辅助层与磁性记忆层相邻并且设置于磁性记忆层远离衬底基片的一面；置压层与磁晶优化辅助层相邻并且设置于磁晶优化辅助层远离衬底基片的一面；控制线与置压层相邻并且设置于置压层远离衬底基片的一面。本发明还提供了一种平面型STT‑MRAM的读写方法，包括读操作时，在控制线与位线之间加正向偏置电压，产生的电场使磁性记忆层的垂直各向异性减小，面内各向异性增强；写操作时，在控制线与位线之间加负向偏置电压，产生的电场使磁性记忆层的垂直各向异性增强，面内各向异性减弱。

技术领域

本发明涉及存储器件领域，尤其涉及一种平面型STT-MRAM记忆单元及其读写方法。

背景技术

近年来人们利用磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的特性做成的磁性随机存取记忆体，即为MRAM(Magnetic Random Access Memory)。MRAM是一种新型固态非易失性记忆体，它有着高速读写的特性。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；中间层为绝缘层；磁性参考层位于绝缘层的另一侧，它的磁化方向是不变的。当记忆层与参考层之间的磁化强度矢量方向平行或反平行时，磁记忆元件的电阻态也相应为低阻态或高阻态。这样测量磁电阻元件的电阻态即可得到存储的信息。

已有一种方法可以得到高的磁电阻(MR，Magneto Resistance)率：在非晶结构的磁性膜的表面加速晶化形成一层晶化加速膜。当此层膜形成后，晶化开始从隧道势垒层一侧形成，这样使得隧道势垒层的表面与磁性表面形成匹配，这样就可以得到高MR。

一般通过不同的写操作方法来对MRAM器件进行分类。传统的MRAM为磁场切换型MRAM：在两条交叉的电流线的交汇处产生磁场，可改变磁电阻元件中的记忆层的磁化强度方向。自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM，Spin-transfer Torque Magnetic RandomAccess Memory)则采用完全不同的写操作，它利用的是电子的自旋角动量转移，即自旋极化的电子流把它的角动量转移给记忆层中的磁性材料。磁性记忆层的容量越小，需要进行写操作的自旋极化电流也越小。所以这种方法可以同时满足器件微型化与低电流密度。STT-MRAM具有高速读写、大容量、低功耗的特性，有潜力在电子芯片产业，尤其是移动芯片产业中，替代传统的半导体记忆体以实现能源节约与数据的非易失性。

在一个简单的面内型STT-MRAM结构中，每个MTJ元件的记忆层都具有稳定的面内磁化强度。面内型器件的易磁化轴由记忆层的面内形状或形状各向异性决定。CMOS晶体管产生的写电流流经磁电阻元件的堆叠结构后，可以改变其电阻态，也即改变了存储的信息。进行写操作时电阻会改变，一般情况下采用恒定电压。在STT-MRAM中，电压主要作用在约厚的氧化物层(即隧道势垒层)上。如果电压过大，隧道势垒层会被击穿。即使隧道势垒层不会立即被击穿，如果重复进行写操作的话，会使得电阻值产生变化，读操作错误增多，磁电阻元件也会失效，无法再记录数据。另外，写操作需要有充分大的电压或自旋电流。所以在隧道势垒层被击穿前也会出现记录不完全的问题。

STT-MRAM的读操作是把电压作用在MTJ堆叠结构上，再测量此MTJ元件是处于高阻态或是低阻态。为了正确得到电阻态是高或低，需要的电压相对较高。并且写操作和读操作需要的电压值并不相等，在当前的先进技术节点，若各MTJ之间有任何的电子特性波动，都会导致本应进行读操作的电流，却象写电流一样，改变了MTJ记忆层的磁化强度方向。

因为在对此非易失性的MTJ记忆体进行写操作会改变它的电阻值时，使MTJ记忆器件产生损耗，缩短了它的生命周期。为了减小这种负面影响，需要提供一些方法来得到某种结构的STT-MRAM，可以同时具有高精度的读操作，以及高可靠的写操作。