CN1650368A - 半导体记忆装置及操作半导体记忆装置方法 - Google Patents

Abstract

提供一种半导体记忆装置(10)，其中磁场(H)可藉由磁场施加装置(40)被施加至记忆胞元(30)，因此想要的磁场(Mdesired)可被施加至动作的记忆胞元(30)之硬磁层(31h)。

Description

半导体记忆装置及操作半导体记忆装置方法

本发明系关于半导体记忆装置以及操作半导体记忆装置之方法

在以磁阻(magnetoresistive)储存机制为基础之半导体记忆装置中，尤其是MRMA内存中，重要的关键是相较于个别记忆胞元之自由可磁化区域之记忆胞元特定区域之预定及固定的预磁化区域。在此情况中，形成于二磁化层之间被用以测量感测个别胞元之记忆内容用之电流的隧道电阻极大部份是依据预定之固定的磁化强度及方位以及可自由调整的磁化而定。

虽然存在有已知的以磁阻储存效应为基础之记忆胞元结构中的材料，于其中固定的预设预磁化难以相对时间改变，不能确保记忆区域将表现100％免于由于以磁阻储存机制为基础之半导体记忆装置之记忆区域中之大数量的个别记忆胞元数年使用期间所造成的错误。

因此，这是可理解的，例如，由于外部干扰场，由于热干扰及/或自然地产生，记忆胞元特定的预磁化区域将展现从一想要的磁化在关于磁化强度及/或方位的误差，造成个别记忆胞元或记忆区域之存储元件可能变成不能使用。在此种关系中也被使用的词语是所谓的磁滞(magnetic creeping)，其中预磁化的错误方位或其它预磁化强度的降低是随时间缓慢进行的过程，于该情况中个别记忆胞元的故障可能突然发生。

本发明是以指定以磁阻储存机制为基础之半导体记忆装置以及操作以磁阻储存基制为基础之半导体记忆装置之目标为基础，于其中可于一长的操作期间实现尽量可靠的记忆体操作。

依据本发明，此目标藉由具有权利请求项第1项之以磁阻储存机制为基础之半导体记忆装置而达成。以方法而言，此目标是藉由权利请求项第18项之操作以磁阻储存机制为基础之半导体记忆装置之方法而达成。权利请求项附属项分别关于依据本发明之半导体记忆装置以及依据本发明之操作方法之有利的发展。

本发明以磁阻储存机制为基础之半导体记忆装置，尤其是MRAM内存，具有至少一记忆区域，其具有复数记忆胞元。此外，提供至少一磁场施加装置，藉由该装置以控制的及/或预定的方式施加一个共有以及至少区域性地同质磁场到至少一些记忆胞元，因此至少动作中的记忆胞元之部份或区域磁化(磁极化)可在预定及/或可控制的方式中被放大及/或转向。

因此，本发明之中心思想，在磁阻半导体记忆装置的情况中，是形成一个磁场施加装置，藉由该装置，在操作期间以预定的方式可控制地施加一磁场至记忆胞元，以便以预定方式及可控制地放大及/或设定磁极化及/或磁化方位。因此，在操作期间，磁滞可藉由对于将被形成具有固定预磁化之记忆胞元之个别组件部份，此预磁化在定义良好之方式中被形成及/或放大的事实而被抵消。因此，个别记忆胞元之预磁化的错误方位被抵消且因此在此例中可以视为磁化的重新定位及放大。

在本发明半导体记忆装置之较佳发展中，此磁场施加装置系整个或部份地形成于半导体记忆装置用之一壳体装置内。这是有益的，例如因为壳体装置之壳体组件部或壳体装置整体可被形成为具有磁场施加装置之预先制造的组件，而不需要修改半导体记忆装置之制造及测试程序，也就是半导体记忆装置下的半导体模块。因此，半导体记忆装置下的半导体内存可独立于所提供之磁场施加装置而被形成及测试。

于本发明半导体记忆装置之一另一较佳实施例中，磁场施加装置被形成为一线圈装置。后者可以具有一个或复数线圈。

较佳者，此线圈装置以至少一线圈之内部区域的磁场可被施加到至少一些记忆胞元的方式而被设置及/或形成。这尤其是有益的，因为由于线圈的几何，在操作期间内部区域确实具有特别高的磁场，也可确保尤其适合的磁场同构型。

为实现此种程序，线圈装置之至少一线圈在空间上包围至少一某些记忆胞元。

这表示，例如，在半导体记忆装置下的半导体模块被形成及/或设置，至少一部份，在线圈装置之至少一线圈之内部区域内。

在线圈装置之线圈内的特定空间区域中，可以在外部区域产生具有适合方位的适合磁场强度。因此，依据本发明半导体记忆装置另一较佳实施例，至少一线圈之外部区域之一磁场可被施加到至少一些记忆胞元。

因此，半导体记忆装置下的至少部份的半导体模块被设置及/或形成于至少一线圈之外部区域之内。

如果二线圈被提供为磁场施加装置之线圈设备的组件，可产生和将为所提供之预磁化相关之重新定位及/或放大之本发明半导体记忆装置之尤其较佳之特性。

如果在磁场施加装置之线圈装置的形成中提供复数线圈，二个或更多，则该等线圈，较佳者，系以相同的行为动或相同的形式被形成。

尤其简单的场情况产生，如果依据本发明半导体记忆装置之另一较佳实施例，此复数线圈，尤其是二个线圈，磁场施加装置之线圈装置系以具有个别对称轴的同轴对称的方式被形成，且如果，在此情况中，此二或更多线圈额外的在一共同的轴上以它们的对称轴排列及/或互相同共直线排列。

在此情况中，较佳者，如果二线圈沿它们的共同轴或对称轴以空间上相距一中间区域的方式分离而被排列及/或设置，于该情况中半导体记忆装置下的半导体模块之至少部份随后被设置及/或形成于该等线圈之间之该中间区域内，尤其是在该等线圈之共同轴或对称轴之附近。此程序是有益的，当因此形成的线圈装置的几何在操作期间致能一特别高的场强度以及，同时致能互相连序操作之线圈之间的中间区域中的特别高的同构型。

每一记忆胞元具有或形成一磁阻存储元件，尤其是具有至少一硬磁层之TMR堆栈组件。

此外，每一记忆胞元具有至少一软磁层做为记忆层以及一隧道层设置于硬磁层与软磁层之间。

此外，较佳者，此硬磁层被形成为具有如所欲之磁化的预定及固定的磁化，该所欲之磁化被设定方位，尤其是，垂直于TMR堆栈组件之序列的方位，也就是TMR堆栈组件序列的方位，例如层的平面内。

依据本发明之半导体记忆装置以尤其简单的形式被设置，如果复数个记忆胞元以实质上相同的行为或相同的方式被形成。

此外，较佳者，复数记忆胞元以它们的磁化方位实质上相同及/或实质上位于共同平面的方式而被设置及/或形成。

本发明之另一形式在于提供一种操作以磁阻储存机制为基础之半导体记忆装置之方法，尤其是一种MRAM内存。本发明之操作方法具有半导体记忆装置之记忆区域之每一记忆胞元之记忆内容的读出及外部的储存的步骤。之后施加一磁场至半导体记忆装置，且在此过程中施加一磁场至至少某些记忆胞元，以便以预定的及/或可控制的方式施加一磁化于记忆胞元之硬磁层上。之后，此外部储存的记忆内容随后被写回记忆区域之每一胞元。

因此，以方法而言，达成此目的之本发明之核心构想在于首先节省记忆区域内的资料内容以便接着放大及/或重新定位记忆胞元之硬磁层，藉由以预定的及/或可控制的方式施加一磁化。之后，记忆区域之信息状态随后藉由写回外部储存的或被节省的记忆内容至个别的记忆胞元而被重新建立。

依据本发明之操作方法以尤其简单的方式被建构，如果磁场在强度，方位及时间间隔以可控制的方式被设定，以每一将被动作之记忆胞元已经在强度及方位方面以预定的方式被施加磁化于其上的方式，因此确保可靠的记忆体操作，及/或，尤其是记忆胞元之硬磁层的个别磁化可被重新定位至想要的磁化及/或放大。

此外，较佳者，如果操作步骤之下，额外节省记忆内容的步骤，施加重新定位用之磁场的步骤及/或磁化放大用之步骤，以及写回外部节省的记忆内容的步骤在时间间隔被重复执行，尤其是在一年或更少的时间间隔。

操作方法执行的规律性因此确保预防的方法。另一方面，此方法的执行也藉由一使用者或一使用单元之明确的要求而执行，例如在确定关于信息内容的储存或读出的错误状态时。

本发明这些及其它形式也从以下的观察中表现：

磁性随机存取内存(MRAM)之隧道磁阻存储元件，TMR，也称为磁隧道接面MTJ，具有一个被动及主动铁磁层。此主动层的磁化在写入及破坏性读取期间相对于被动磁层的固定磁化方位，平行或逆平行该磁化方位，旋转。

此内存型态之非挥发性实质上由被动硬磁层之磁化方位决定，该方位随时间改变。此磁化方位在制程期间被定义一次。在此情况中可被接受的误差是低的，小于一个等级(degree)。包围一预定方位之磁化的窄分布可使用或不使用外部磁干扰场，例如由于磁滞，而随时间变得较宽。在磁化中的改变被须被预期为非同质地发生，从集结中心进行发生。因此，个别的存储元件可能变得不能使用，及/或其记忆内容可能遗失。

和以隧道磁阻效应(TMR)为基础MRAM内存之非挥发性相关之时间大小是未知的。但必须期待，由于硬磁层中的磁滞效应的热激励，此时间大小将落在数年的内存使用的期间。

还不知道如何预防由磁滞所导致的非挥发性的限制。

由于外部磁干扰场所造成的磁化改变以及因此所导致的储存信息的遗失可以藉由以具有高导磁性之磁遮蔽材料来防止。

但是，对于由磁滞所造成的信息遗失，这些是没有效率的。

此硬磁层可藉由一外部磁场而被重新定位，即使在MRAM模块的操作期间。因此，本发明提供由于硬磁层磁化改变而已经遗失它们功能的记忆胞元的修补或防止的重新更新。

为此目的，首先此记忆模块的内容被缓冲储存在另一任意的媒体之中。随后施加一个足以重新定位硬磁层的磁场，例如藉由适当地集成在封包内的一个或一对线圈。之后，前述的内容可从缓冲存储器被移转回记忆模块内。此操作可依需要被重复多次。

如果，如同所建议者，一线圈或一对线圈被集成至模块的封包内，则模块硬磁层的磁化方位可于该处被更新。一具有动作的对应逻辑可在预定的时间间隔主动执行此操作。此时间大小因此为关于硬磁层所形成之非挥发性之定义或需求而改变。可以实现长期的非挥发性内存，即使以磁方位在一较短时间大小分解的硬磁层。

硬磁层可经由特定的铁磁或非铁磁组件的合金而形成，例如CoFe，CoCr，CoPt，CoCrFe。

然而，铁磁层的磁开关临界也可经由相较于软磁层的层几何(形状，厚度)的选择而被增加。

另一个可能性为藉由耦合至下方，或者上方，防铁磁层(例如由IrMn，PtMn所制成)而制造「较硬的」铁磁层。

适合的铁磁层通常是包含以下至少一种元素的层：Fe，Ni，Co，Cr，Mn，Gd，Dy或Bi，或包含其合金。

创造性的步骤存在于，对比其它非挥发性内存，如闪存，缺陷胞元或位可藉由施加外部场而被更新或修补。硬磁层的磁场可藉由将封装内的芯片曝露在至有方位性的场而被无接触地更新或修补。如果一个对应的线圈或一对线圈被集成于封装内，例如一壳体内，则缺陷由硬磁层内之磁化的方位错误所藏成之记忆胞元可于操作期间，例如在对应记忆胞元未被存取的期间，于原地被修复。

如果此重新定位被做为预防性的方法，则这些存储元件的非挥发性可被改善。

重新建立硬磁层之磁化方位用之磁场藉由，例如一起被设置在芯片壳体内之MRAM芯片上之一对线圈，而产生。此二串联的线圈的磁场是单一方位的且集中在芯片平面上。

也可以使用设至在壳体内之芯片上方的长形磁线圈。为了硬磁层的重新定位，使用大约与线圈轴平行的外部磁场，例如，其磁场与线圈内的磁场形成一个封闭的磁场排列。相较于以上的程序，设置的简化是有利的，但较低的磁场对电流效率是不利的。

以下的其它实施例是可理解的：

-磁线圈以封闭连接的方式包围MRAM芯片并包括一个或更多线圈区段。在此情况中，此同质磁场是有利的；此磁场对一预定电流是位于最大的值。复杂的安装是不利的。

-磁线圈以包围MRAM芯片之完全的磁线圈于MRAM芯片以及壳体的组成部的组合之后方被产生的方式被集成于壳体的组成部。在此种情况中此种简单的安装以及高磁场对电流效率是有益的。昂贵的，复杂的壳体是不利的。

本发明参照以实施例为基础之图式被详细解释。

第1A-1D图表示依据本发明操作方法所得到之一记忆胞元之四个不同的中间状态。

第2A-2C图表示依据本发明之半导体记忆装置之三个不同实施例之剖面图。

第3图表示本发明半导体记忆装置另一实施例之部份剖面图及立体图。

第4图表示本发明半导体记忆装置又一实施例之部份剖面图及立体图。

在以下描述的图式中，相同的参考标号代表相同或相同行为的组件或结构，而不在每一情况中重复描述细节。

依据本发明操作方法之一实施例之程序基于以磁阻储存机制为基础之一单一记忆胞元30为基础参照第1A至1D图之剖面图而被详细解释。

在本发明第1A至1D图的实施例中，磁阻记忆胞元30包括一硬磁层31h，一软磁层31w以及一隧道层31t设置于其间。在本发明半导体记忆装置之制造期间，其如第1A至1D图所示在一记忆区域20之中具有复数记忆胞元30，一磁化M被施加于每一记忆胞元30之硬磁层31h之上，该磁化实质上等于想要的磁化Mdesired：M＝Mdesired，在大小及方位方面。

藉由对应的写入操作，信息磁化或储存磁化Msp可平行或不平行于硬磁层31h之想要的磁化Mdesired而被施加在软磁层31w之上，其被当成一记忆层。一较高或较低之电隧道电阻经由记忆胞元30之隧道层31t而被建立，依据软磁层31w之储存磁化Msp是否与硬磁层31h之想要的磁化Mdesired平行或不平行。

此状态表示在第1A图且出现在t＝0的时刻，且过一些时间之后，软磁层31w的储存磁化Msp由于其变化而以点形式的线标示。

随时间过去，与想要的磁化Mdesired偏离之硬磁层31h的磁化M增加。此增加同时适用在相对于想要的磁化Mdesired之磁化M的大小以及磁化M的方位。第1B图表示，经过大于一关键时间Tcrit之后的时间t，未表示出任何其它的细节，在硬磁层31h之磁化M的大小及方位相较于想要的磁化Mdesired产生一个偏移：M≠Mdesired。

在以上及以下的描述中，M，Mdesired总是代表固定数量或在对应层上的平均数量。

此种偏移可以产生当从记忆胞元30之软磁层31w写入及/或自其中读取信息内容时功能可靠度不再被确保的效应。

因此，相对于存储元件30(或记忆胞元30)之外部磁场H依据第1C图的描述被施加。此外部磁场H之大小及方位被选择，因此硬磁层31h之磁化M再次依据想要的磁化Mdesired被指定方位，且其大小，假设对应的或较高的值，如第1C图所示。

在相对于记忆胞元30之外部磁场H已经被切换之后，在硬磁层31h中维持一个对应想要的磁化Mdesired之被放大且重新定向的磁化M：M＝Mdesired。

这被表示在第1D图，在从第1B至1C图的转换中，储存在软磁层31w之信息从记忆胞元30被读出且接着在从第1C图状态至第1D图状态的转换写回至软磁层31w，因此第1B及1D图状态的储存磁化Msp实质上对应。

第2A至2C图，表示本发明半导体记忆装置三个实施例之剖面图。

在第2A至2C图中，本发明半导体记忆装置10具有记忆区域20，其具有结构如，例如，第1A至1D图所示之复数记忆胞元30。此记忆区域20具有半导体模块20或芯片20之结构。

第2A至2C图实施例之磁场施加装置40系藉由线圈装置40所形成。在此情况中，于第2A及2B图实施例中每一者被提供一个线圈41，而在第2C图实施例中提供二个线圈41及42。在每一种情况中仅有线圈41，42之循环41w与42w的剖面被指出。

在第2A至2C图实施例中，所有的线圈具有圆柱形或平行六面体的结构以及中央设置的对称轴41x及42x。

在第2A图的实施例中，具有其记忆胞元30之记忆芯片或记忆区域20被设置在线圈装置41或磁场施加装置40之线圈41之内部区域并且已经在操作期间于该处施加一同质磁场Hi，该磁场，在方位及大小方面，正确地产生记忆胞元30之硬磁层31h中想要的磁化Mdesired。

在第2B图的实施例中，具有记忆胞元30之记忆区域20被提供在磁场施加装置40或线圈装置40之线圈41之外部区域，因此线圈41之外部场Ha为该施加及重新定位专属地于该处被使用。

在第2C图的实施例中，具有记忆胞元30之记忆区域20位于第一线圈41与第二线圈42的中间区域Z，其具有相同的设计并具有对称的轴41x及42x，该对称轴41x及42x朝向对称的共同轴x的方位。因此，在第2C图的实施例中，第一线圈41与第二线圈42之组合的能量场Ha被用以做为硬磁层31h之磁化M之重新定位用的重叠磁场。

第3图表示侧视的立体剖面图，使用第2C图装置之本发明半导体记忆装置10之较具体实施例的图式。第一及第二线圈41，42也被提供于该处。该等线圈的结构实质上相同且具有位于同一线上之共线对称设置之轴41x，42x。第一及第二线圈41，42在空间上由一中间区域Z分离。位于中间区域Z内的是做为具有记忆胞元30之记忆区域20之芯片。此图式也表示一承载基板60以及外部端点70。第一及第二线圈41及42于此被提供为集成于一壳体内的结构，于此不再具体描述其细节。

第4图表示第2图装置较具体的实施例之剖面图。于壳体区域50内提供具有线圈装置40之磁场施加装置40，该线圈装置具有一单一线圈41。被形成为芯片之记忆区域20系位于独立线圈41之外部区域41a。此芯片或记忆区域之所有其它元系位于一承载基板60之上且由外部端点和外部接触连接。

参考标号表

10    半导体记忆装置，MRAM内存

20    记忆区域

30    记忆胞元

31h   硬磁层

31t   隧道层

31w   软磁层

40    磁场施加装置，线圈装置

41    线圈

41a   外部区域

41i   内部区域

41w   线圈圈数

41x   对称轴

42    线圈

42a   外部区域

42w   线圈圈数

42x   对称轴

50    壳体装置，壳体

60    承载基板

70    外部端点

100   半导体模块，芯片

H     磁场

Ha    外部场

Hi    内部场

M     磁化

Mactual   真实磁化

Mdesired  想要的磁化

Msp       内存磁化

X         对称共同轴

Y         TMR堆栈的行进方位

Z         中间区域

Claims (20)

1.一种以磁阻储存机制为基础之半导体记忆装置，尤其是MRAM内存，

具有至少一记忆区域(20)，其具有复数记忆胞元(30)，以及

具有至少一磁场施加装置(40)，藉由该磁场施加装置以可控制及/或预定形式的方式施加一共同且至少区域性地同质磁场(H)到至少一些该记忆胞元(30)，因此

动作中的记忆胞元(30)之至少部份或区域之磁极化及/或其磁化可于预定及/或可控制的方式被放大及/或定位。

2.如权利请求项第1项之半导体记忆装置，其中该磁场施加装置(40)系整个或部份被形成于该半导体记忆装置(10)所使用之一壳体装置(50)之内。

3.如前述权利请求项任一项之半导体记忆装置，其中该磁场施加装置(40)被形成为一线圈装置，具有一线圈(40)或具有复数线圈(41，42)。

4.如权利请求项第3项之半导体记忆装置，其中该线圈装置以该至少一线圈(41)之一内部区域(41i)之一磁场(Hi)可被施加至至少一些该记忆胞元(30)的方式而被设置及/或形成。

5.如权利请求项第3或4项之半导体记忆装置，其中该至少一线圈(41)在空间上包围至少一些该记忆胞元(30)。

6.如权利请求项第3至5项任一项之半导体记忆装置，其中位于该半导体记忆装置(10)下方之该半导体模块(100)至少部份地被设置及/或形成于该至少一线圈(41)之内部区域(41i)内。

7.如权利请求项第3至6项任一项之半导体记忆装置，其中该至少一线圈(41，42)之一外部区域(41a，42a)之磁场(Ha)可被施加至至少一些记忆胞元(30)。

8.如权利请求项第7项之半导体记忆装置，其中位于该半导体记忆装置(10)下方之该半导体模块(100)至少部份地被设置及/或形成于该至少一线圈(41，42)之外部区域(41a，42a)。

9.如权利请求项第3至8项任一项之半导体记忆装置，其中提供二线圈(41，42)。

10.如权利请求项第3至9项任一项之半导体记忆装置，其中于复线圈(41，42)之情况中，后者于实质相同动作或相同形式中被形成。

11.如权利请求项第3至10项任一项之半导体记忆装置，其中

提供具有对称轴(41a，42x)之二同轴对称的线圈(41，42)，以及

该二线圈(41，42)以其对称轴(41x，42x)延伸于一共同轴(x)或共线而被设置。

12.如权利请求项第11项之半导体记忆装置，其中二线圈(41，42)以沿它们的共同轴(X)在空间中互相分离一中间区域(Z)的方式被设置及/或形成，以及

该半导体记忆装置(10)下方之该半导体模块(100)被设置及/或形成于该等线圈(41，42)之间之该中间区域(Z)，尤其是在该共同轴(X)附近。

13.如前述权利请求项任一项之半导体记忆装置，其中每一该记忆胞元(30)具有或形成一磁阻存储元件，尤其是具有至少一硬磁层(31h)之一TMR堆栈组件。

14.如权利请求项第13项之半导体记忆装置，其中每一该记忆胞元(30)具有至少一软磁层(31w)做为记忆层以及一隧道层(31t)设置于该硬磁层(31h)与该软磁层(31w)之间。

15.如权利请求项第13或14项之半导体记忆装置，其中该硬磁层(31h)被形成具有如想要之磁化(Mdesired)之一预定磁化(M)，其中尤其是垂直该TMR堆栈组件或复数组件之一行进方位。

16.如前述权利请求项任一项之半导体记忆装置，其中该复数记忆胞元(30)于实质上相同的动作或相同形式中被形成。

17.如前述权利请求项任一项之半导体记忆装置，其中该复数记忆胞元(30)以它们的磁化(M)实质上朝向相同方位及/或位于实质上一平面的方式而被设置或形成。

18.一种操作以磁阻储存机制为基础之半导体记忆装置，尤其是MRAM内存，之方法，具有以下步骤：

a)读出并于外部储存该半导体记忆装置(10)之一记忆区域(20)之每一记忆胞元(30)之记忆内容，

b)施加一磁场(H)至该半导体记忆装置(M)，且于该过程中，施加该磁场(H)到至少一些该记忆胞元(30)以便以可定义及可控制的方式施加一磁化在该记忆胞元(30)之硬磁层上，以及

c)将该储存于外部之记忆内容写回该记忆区域(20)之个别记忆胞元(30)。

19.如权利请求项第18项之操作方法，该磁场(H)在强度，方位及/或时间间隔以每一将被动作之记忆胞元(30)在强度及方位方面以预定的方式被施加磁化的方式而以可控制的方式被设定，因此确保可靠的记忆体操作，及/或，尤其是记忆胞元(30)之硬磁层(31h)的个别磁化(M)可被重新定位至想要的磁化(Mdesired)及/或放大。

20.如权利请求项第18或19项之操作方法，其中操作方法之步骤a)，b)，c)系于，尤其是正规，时间间隔被重复的方式而被执行，尤其是在一年或少于一年的时间间隔及/或于明确要求时，尤其是由使用者要求时。

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