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      用于低功耗和高選擇性的mram結(jié)構(gòu)的制作方法

      文檔序號:6755097閱讀:301來源:國知局
      專利名稱:用于低功耗和高選擇性的mram結(jié)構(gòu)的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及磁性或磁阻隨機(jī)存取存儲器(MRAM),更加具體地涉及一種在寫期間允許低功耗和高選擇性的MRAM結(jié)構(gòu)及其操作方法。
      背景技術(shù)
      磁性或磁阻隨機(jī)存取存儲器(MRAM)目前正被許多公司視為快閃存儲器的后繼物。它具有替代幾乎最快的靜態(tài)RAM(SRAM)存儲器的潛能。它是一種非易失性存儲器件,這意味著不需要功率來維持所存儲的信息。這被看成是與大多數(shù)其它類型的固態(tài)存儲器相比的優(yōu)點(diǎn)。
      MRAM概念最初由Honeywell Corp.USA提出,并在磁性多層器件之中使用磁化方向作為信息存儲且將最終的電阻差用于信息讀出。對于所有的存儲器件,MRAM陣列中的每個單元都必須能夠存儲至少兩種狀態(tài),該狀態(tài)表示“1”或“0”。
      存在不同種類的磁阻(MR)效應(yīng),當(dāng)前最重要的是巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)。GMR效應(yīng)和TMR或磁隧道結(jié)(MTJ)或自旋穿隧(SDT)效應(yīng)提供實(shí)現(xiàn)非易失性磁性存儲器的可能性。這些器件包括其中至少兩個是鐵磁或亞鐵磁并由非磁性中間層分隔的薄膜的堆疊。GMR是針對具有導(dǎo)線中間層的結(jié)構(gòu)的磁阻,TMR是針對具有電介質(zhì)中間層的結(jié)構(gòu)的磁阻。如果在兩個鐵磁或亞鐵磁膜之間設(shè)置一個非常薄的導(dǎo)線,那么當(dāng)薄膜的磁化方向平行時合成的多層結(jié)構(gòu)的有效面內(nèi)電阻就會最小,并且當(dāng)薄膜的磁化方向反平行時合成的多層結(jié)構(gòu)的有效面內(nèi)電阻就會最大。如果在兩個鐵磁或亞鐵磁膜之間設(shè)置薄電介質(zhì)中間層,那么當(dāng)薄膜的磁化方向平行時觀察到薄膜之間的隧道電流就為最大(或者,因此電阻就為最小),并且當(dāng)薄膜的磁化方向反平行時薄膜之間的隧道電流就為最小(或者,因此電阻就為最大)。
      當(dāng)上述結(jié)構(gòu)從平行到反平行磁化狀態(tài)時,通常隨著上述結(jié)構(gòu)的電阻百分比增加來測量磁阻。TMR器件提供比GMR結(jié)構(gòu)更高的百分比磁阻,因此具有更大信號和更高速度的潛能。最近結(jié)果表明,與優(yōu)良的GMR單元中的10-14%磁阻相比,隧穿給出超過40%磁阻。
      典型的MRAM器件包括以陣列排列的多個磁阻存儲器元件(例如MTJ元件)。MTJ存儲器元件通常包括含有固定層或釘扎層(pinned layer)的層結(jié)構(gòu),其間具有自由層和介電勢壘(barrier)。磁性材料的釘扎層具有總是指向同一方向的磁矢量。自由層的磁矢量是自由的,但限制于該層的易磁化軸之內(nèi),其主要由元件的物理尺寸確定。自由層的磁矢量指向兩個方向之一平行或反平行于釘扎層的磁化方向,其與所說的易磁化軸一致。字線沿存儲器元件的行延伸,且位線沿存儲器元件的列延伸。將字線和位線單獨(dú)地構(gòu)圖為在上述MTJ疊層之下和之上的兩個金屬層。每個存儲器元件位于字線和位線的交叉點(diǎn)區(qū)。例如,位線與存儲器元件的難磁化軸平行,其在易磁化軸的方向上產(chǎn)生磁場,同時字線仍然與存儲器元件的易磁化軸平行,其在難磁化軸的方向上產(chǎn)生磁場。
      通過同時通過在所選擇單元處相交的位線和字線提供電流脈沖來進(jìn)行寫入。在相交區(qū)、即在彼此重疊的位線和字線之間的區(qū)域處,產(chǎn)生峰值磁場,該峰值磁場足以切換MTJ元件的自由層的極化,以致將MTJ元件的電阻從LoRes(低阻)狀態(tài)切換為HiRes(高阻)狀態(tài)或反之亦然(依賴于通過位線的電流的方向)。在所選擇的字線和所選擇的位線中的電流是這樣的以便僅使它們一起提供能夠改變所選擇的存儲器元件的自由層的磁矢量方向的磁場而在任何一條線中的電流自身都不能夠改變存儲狀態(tài)。因此,只有所選擇的存儲器元件被寫入,而且在同一被選擇的字線或位線上的其它存儲器元件中的任何一個存儲器元件都不會被寫入。如果由任何一條電流線產(chǎn)生的磁場幅度都相同,那么最終的磁場方向就相對于該單元的自由層的易磁化軸具有45°角。在此角度下,自由層的切換場(switching field)就最小,如圖1中的星形曲線所示,因此利用兩條線中的最小電流就能夠進(jìn)行寫入。交叉點(diǎn)處所得到的磁場幅度為|HHA|+|HEA|2]]>其中|HHA|=|HEA|其中HHA和HEA分別是在難磁化軸和易磁化軸方向上產(chǎn)生的磁場。為了切換自由層的磁化,施加到磁阻元件的磁場矢量的終點(diǎn)必須位于星形曲線上或星形曲線之外。
      一方面,必須以這樣一種方式選擇在所選擇的位線和字線中的電流,以致總磁場足以超過以與易磁化軸成45°的所尋址的單元的切換磁場,或者換句話說,以致最終磁矢量的端點(diǎn)位于此方向的星形分支上或星形分支之外(參見圖1)。另一方面,僅由位線自身產(chǎn)生的磁場幅度就必須顯著地比位于同一位線上的任何單元的易磁化軸方向上的切換磁場更小,以便防止不需要的過寫入。換句話說,如果假定位線產(chǎn)生的磁場為HEA,那么在所有單元的易磁化軸方向上的自由層的切換場就必須很好地限制于以下窗口HEA&lt;Hs&lt;HEA*22]]>為了具有良好的寫入選擇性。等效地,選擇性窗口可以表示為Hs-min<Hs<Hs-max其中Hs-max=2.8*Hs-min。這里Hs-min和Hs-max是在易磁化軸方向上的自由層的所允許的最小和最大切換磁場。切換磁場的分布寬度必須很好地限制于這兩個值之內(nèi)。選擇性窗口由圖2中的陰影區(qū)域表示。這就意味著,所有單元的星形曲線必須很好地限制于這個區(qū)域之中。
      常規(guī)設(shè)計的一個問題是選擇性相當(dāng)小。因?yàn)榫哂行〗Y(jié)構(gòu)的隧道結(jié)元件尺寸上的變動非常顯著,所以在技術(shù)上就難于制造出具有狹窄的切換場分布的數(shù)百萬個單元。
      常規(guī)MRAM器件的缺點(diǎn)是用平直導(dǎo)線來產(chǎn)生磁場的方法是一種最無效的方式。因?yàn)樾枰獌蓚€非常大的磁場來感應(yīng)附近的磁阻材料,所以所需編程電流高。在沿線的任何點(diǎn)上相同地產(chǎn)生磁場,但是實(shí)際上僅僅采用在交叉點(diǎn)處的磁場。由IBM和Motorola的示范產(chǎn)品中,0.6μmCMOS技術(shù)證實(shí)了采用5-10mA范圍的電流來進(jìn)行穩(wěn)定的讀操作和寫操作。在這些示例中的典型器件為大約0.1-0.5μm2。
      通過發(fā)送通過位線或字線(通常稱為電流線)的電流就可以在芯片上產(chǎn)生磁場,并且磁場與電流成正比。為了獲得較高的磁場,就必須采用較大的電流。然而,低功耗應(yīng)用則需要小電流。這些就成為了對立的需求。有利地獲得較大的選擇性同時使用較小電流。
      在US-6385083中,通過提供存儲器單元陣列和多個導(dǎo)線、還稱為彼此正交的字線和位線就解決了此問題。字線位于存儲器單元陣列的一側(cè),并且位線位于存儲器單元陣列的相對側(cè)。字線沿第一方向延伸、且沿第二方向與至少一些存儲器元件偏移,第一和第二方向正交。通過提供此結(jié)構(gòu),每個存儲器單元位于兩個相鄰字線之間且由兩個相鄰字線重疊。每個存儲器單元電連接到一條位線和相鄰的字線之一。在此結(jié)構(gòu)中,當(dāng)它從三條線、與所選擇的存儲器單元相鄰的一條所選擇的位線和兩條字線觀察合并的磁場時,存儲器單元可以改變它的狀態(tài)。在任一單獨(dú)導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生的磁場、或者由這些導(dǎo)線中的兩個導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生的合并磁場不足以改變所選擇的存儲器單元的磁化方向。盡管提高了選擇性,但是這種解決方案實(shí)際上不能降低功耗,因?yàn)殡娏餍枰ㄟ^許多電流線進(jìn)行發(fā)送。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的目標(biāo)在于提供一種MRAM結(jié)構(gòu)及其操作方法,該MRAM結(jié)構(gòu)提供在寫入期間的高選擇性、同時具有低功耗。
      通過根據(jù)本發(fā)明的器件和方法就能夠?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)。
      本發(fā)明提供一種磁阻存儲器單元,該磁阻存儲器單元包括磁阻存儲器元件,第一電流線和第二電流線,第一和第二電流線在交叉點(diǎn)區(qū)彼此交叉但不直接接觸。根據(jù)本發(fā)明,橋接元件在交叉點(diǎn)區(qū)附近連接第一和第二電流線,橋接元件磁性地耦合到磁阻存儲器元件。根據(jù)本發(fā)明的這樣的磁阻存儲器單元的優(yōu)點(diǎn)在于,可以采用低的電流來獲得磁阻元件中的磁場,該磁場足夠大以便切換磁阻元件的自由層的極化狀態(tài)。
      橋接元件可以包括至少一個位于平行于第一和第二電流線的平面內(nèi)的第一部件、以及至少一個與第一部件垂直的第二部件。第一部件可以是例如以金屬層方式構(gòu)圖的帶,并且第二部件可以是例如通孔或插塞??梢源嬖诙鄠€第二部件。如果橋接元件包括一個第一部件和兩個第二部件,那么橋接元件就可以為U形。這就具有優(yōu)點(diǎn)如果該磁阻元件位于橋接元件的中心點(diǎn),就會在磁阻元件處增強(qiáng)并集中通過U形橋接元件流過的電流產(chǎn)生的磁場。如果橋接元件包括一個第一部件和僅僅一個第二部件,那么橋接元件就可以為L形。就可以采用流過這些第一和第二部件的電流產(chǎn)生的磁場來在寫入期間切換存儲器元件的磁化方向。橋接元件的最終磁場取向可以是任何方向,但優(yōu)選為面內(nèi)方向且為一個角度(例如以與存儲器元件的自由層的易磁化軸呈45°角),以便使自由層的切換場最小。
      橋接元件可以是傳導(dǎo)結(jié)構(gòu),以致為了產(chǎn)生所需磁場以在磁阻元件中寫入數(shù)值,電流可以通過它流動。
      根據(jù)本發(fā)明的磁阻存儲器單元可以包括橋接元件和第一電流線之間或橋接元件和第二電流線之間的隔離器件。可替換地,根據(jù)本發(fā)明的磁阻存儲器單元可以包括位于橋接元件的各元件之間、例如位于第一部件和第二部件或第二部件之一之間的隔離器件。如果存在隔離器件,那么隔離器件就必須處于第一和第二電流線之間的電流路徑的某處。這種隔離器件的一個優(yōu)點(diǎn)在于,它可以阻擋未選擇的橋接元件中的寄生電流(即,流過替換的、不需要的電流路徑的電流),但不會阻擋在所選擇的橋接元件中的電流。
      隔離器件可以具有對稱且非線性的電流-電壓特性,即它是一種雙向?qū)ǖ姆蔷€性器件。它的優(yōu)點(diǎn)在于,它允許在兩個方向上進(jìn)行寫入(在兩個方向上產(chǎn)生磁場)。
      隔離器件可以包括導(dǎo)電材料、勢壘材料和導(dǎo)電材料的夾層。導(dǎo)電材料可以是金屬材料。勢壘材料可以是絕緣材料或半導(dǎo)體材料??商鎿Q地,例如n/p+/n結(jié)構(gòu)或n+n-/p+/n-/n+結(jié)構(gòu)、或它們的組合形式還可以用作隔離器件。上述結(jié)構(gòu)提供對稱非線性的電流-電壓特性,并且還可以采用同樣可以提供這種對稱非線性的電流-電壓特性的任何其它結(jié)構(gòu)。當(dāng)通過隔離器件在兩個相反的方向中的任何一個方向發(fā)送電流時,該器件就具有對稱特性。
      在根據(jù)本發(fā)明的磁阻存儲器單元中,橋接元件可以具有中心點(diǎn),即與橋接元件的所有部件等距的點(diǎn)。磁阻存儲器元件可以位于橋接元件的中心點(diǎn)。這就具有一個優(yōu)點(diǎn),即在存儲器元件處集中所產(chǎn)生的磁場。存儲器元件可以盡可能靠近橋接元件的所有部件。通過在橋接元件的中心點(diǎn)處放置磁阻存儲器元件,或者盡可能靠近橋接元件的所有部件,它就可以完全位于第一和第二電流線的交叉點(diǎn)區(qū)之外。
      本發(fā)明還提供一種磁阻存儲器單元矩陣,每個磁阻存儲器單元包括一個磁阻存儲器元件。該磁阻存儲器單元鏈接在一起,以形成邏輯組成的行和列。每行配置有第一電流線,而每列配置有第二電流線。第一和第二電流線在交叉點(diǎn)區(qū)處彼此交叉,其中橋接元件在交叉點(diǎn)區(qū)附近連接第一和第二電流線。橋接元件磁性地耦合到磁阻存儲器元件。
      磁阻存儲器單元矩陣的每個存儲器單元可以配置有選擇晶體管,即存儲器單元為1T1MTJ型。這就會允許用于更快地讀取、較大信號和更小的噪聲。
      可替換地,存儲器單元的每行可以配置有讀出線。在此情況下,存儲器單元不包括選擇晶體管,即它們?yōu)?T1MTJ型,并且因此它們可以具有更小的固有單元尺寸。
      本發(fā)明進(jìn)一步提供一種在磁阻存儲器單元矩陣中寫入數(shù)值的方法,每個磁阻存儲器單元包括一個磁阻存儲器元件,該磁阻存儲器單元鏈接在一起,以形成邏輯組成的行和列,每行配置有第一電流線,每列配置有第二電流線,第一和第二電流線在存儲器單元中的交叉點(diǎn)區(qū)處彼此交叉,每個存儲器單元配置有導(dǎo)電連接第一電流線和第二電流線的橋接元件。該方法包括通過所選擇的第一電流線、通過所選擇的橋接元件和通過所選擇的第二電流線發(fā)送電流。
      橋接元件可以通過隔離器件導(dǎo)電連接第一電流線和第二電流線,因此該方法進(jìn)一步包括通過隔離器件發(fā)送電流。
      本發(fā)明進(jìn)一步提供一種制造磁阻存儲器單元的方法。該方法包括在第一金屬層中形成第一電流線,在第二金屬層中形成第二電流線,在第三金屬層中形成橋接元件的第一部件,以及利用中間金屬互連形成橋接元件的至少一個第二部件。
      該制造方法可以進(jìn)一步包括在橋接元件和第一或第二電流線中的任何一個之間、或在橋接元件部件之間形成隔離器件。


      本發(fā)明的上述和其它特點(diǎn)、特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下結(jié)合利用實(shí)例說明本發(fā)明的原理的附圖的詳細(xì)說明中變得明顯。給出的這些說明僅僅是用于實(shí)例,并不限制本發(fā)明的范圍。以下引用的參考圖稱為附圖。
      圖1是示出磁阻存儲器單元中的自由層的切換場的星形曲線圖,由此為了切換自由層的磁化、所施加的磁場必須位于星形曲線之上或星形曲線之外。
      圖2說明在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的磁阻存儲器單元矩陣中的選擇性窗口。
      圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的MRAM存儲器單元的透視圖。
      圖4是包括圖3中所示的多個存儲器單元的MRAM存儲器的頂視圖。
      圖5是圖3中所示的存儲器單元的側(cè)視圖。
      圖6是在圖3中所示的MRAM存儲器單元的寫入期間的簡化的電流圖。
      圖7說明非線性隔離器件的電流-電壓特性的正的部分,該特性相對初始特性對稱。
      圖8是現(xiàn)有技術(shù)的磁阻存儲器單元的簡化的側(cè)視圖。
      圖9是圖8中所示的現(xiàn)有技術(shù)的磁阻存儲器單元的簡化的頂視圖。
      圖10是根據(jù)本發(fā)明的100×100單元陣列的簡化的電路圖。
      圖11是根據(jù)本發(fā)明的用于計算施加到未選擇的單元的場的簡化示意圖。
      圖12說明在根據(jù)本發(fā)明的磁阻存儲器單元的矩陣中的選擇性窗口。
      圖13是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的MRAM存儲器單元的透視圖。
      圖14是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的MRAM存儲器單元的側(cè)視圖。
      圖15是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的MRAM存儲器單元的透視圖。
      圖16是圖15中所示的存儲器單元的側(cè)視圖。
      圖17是包括圖15中所示的多個存儲器單元的MRAM存儲器的頂視圖。
      在不同的附圖中,相同的參考數(shù)字代表相同或類似元件。
      具體實(shí)施例方式
      本發(fā)明將相對于特定實(shí)施例并參照某些附圖來進(jìn)行描述,但本發(fā)明不限于此、且僅僅由權(quán)利要求進(jìn)行限定。所描述的附圖僅僅是示意性的,而非限制性的。在附圖中,為了說明目的,一些元件的尺寸被放大且未按比例進(jìn)行繪制。在本說明書中和權(quán)利要求中采用了術(shù)語“包括”,其不排除其它元件或步驟。當(dāng)稱為單數(shù)名詞例如“一個”或“該”時而采用非限定或限定冠詞,這包含了多個名詞,除非別的名詞進(jìn)行了特定陳述。
      而且,在說明書和權(quán)利要求中采用術(shù)語第一、第二、第三等,用于類似元件之間的識別、且不必用于描述連續(xù)或時間順序。應(yīng)當(dāng)理解,在適當(dāng)情況下如此使用的術(shù)語是可互換的,并且在此描述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠按照除了在此描述或說明的其它順序進(jìn)行操作。
      此外,在說明書和權(quán)利要求中采用術(shù)語頂、底、之上、之下等用于說明目的且不必用于描述相關(guān)位置。應(yīng)當(dāng)理解,在適當(dāng)情況下如此使用的術(shù)語是可互換的,并且在此描述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠按照除了在此描述或說明的其它方向進(jìn)行操作。
      根據(jù)本發(fā)明,磁阻存儲器單元30(參見圖4)的矩陣40以行41和列42邏輯組成,每個存儲器單元30包括一個磁阻存儲器元件31。在整個說明書中,使用術(shù)語“水平”和“垂直”來提供一個坐標(biāo)系統(tǒng)且僅僅便于解釋。它們不需要但可以稱為器件的實(shí)際物理方向。而且,使用術(shù)語“列”和“行”來描述多個鏈接在一起的陣列元件組。鏈接可以為行和列的笛卡爾陣列形式;然而,本發(fā)明不限于此。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,列和行可以容易地進(jìn)行互換,且在本說明書中希望這些術(shù)語是可互換的。同樣地,可以構(gòu)成非笛卡爾陣列,并且非笛卡爾陣列包含于本發(fā)明的范圍之中。因此,應(yīng)當(dāng)寬泛地解釋術(shù)語“行”和“列”。為了易于這種寬泛的解釋,權(quán)利要求指邏輯組成的行和列。由此,這就意味著多組存儲器元件以拓?fù)渚€性交叉的方式鏈接在一起;然而,物理結(jié)構(gòu)或地形結(jié)構(gòu)不必如此。例如,行可以是圓,列可以是這些圓的半徑,并且在本發(fā)明中將圓和半徑描述為“邏輯組成”行和列。同樣地,各種線(例如位線和字線、或行線和列線)的具體名稱希望是易于解釋且指特定功能而使用的通用的類屬名,并且這些詞的具體選擇不會受限于本發(fā)明的任何方式。應(yīng)當(dāng)理解,使用所有這些術(shù)語僅僅是易于更好地理解描述的具體結(jié)構(gòu),并且無論如何不希望限制本發(fā)明。
      圖3中展示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一個存儲器單元30。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以采用(按照第一金屬層構(gòu)圖的)位線32和(按照第二金屬層構(gòu)圖的)字線33的正交柵格。可替換地,但附圖中未示出的根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以采用位線和字線的柵格,其中位線和字線包括不同于90°的角度,例如US-2002/0097601中所述。具有包括90°角的位線和字線的實(shí)施例是優(yōu)選的因?yàn)槠鋵?dǎo)致最小單元尺寸。根據(jù)不在附圖中示出也沒有進(jìn)一步解釋的再一個實(shí)施例,字線可以位于第一金屬層中,且位線可以位于第二金屬層中,即在位線的金屬層之上的金屬層中提供任何字線,反之亦然。字線33和位線32在相交區(qū)或交叉點(diǎn)區(qū)即它們彼此交叉或重疊而不是直接接觸的區(qū)域(當(dāng)它們以不同金屬層進(jìn)行制造時)相交。
      形成U形橋34,其在相交區(qū)附近連接位線32和字線33。橋34包括多個部件,例如橋34由第一通孔35形成的第一部件、由上梁(在第一金屬層中構(gòu)圖的)上梁36形成的第二部件和由第二通孔37形成的第三部件組成。在通孔37和位線32之間,具有用作隔離器以阻擋流過不希望的路徑的寄生電流的隔離器件38。根據(jù)附圖中未示出的另一個實(shí)施例,隔離器件可以位于通孔35和字線33之間。隔離器件必須被提供在字線33和位線32之間的電流路徑中。根據(jù)本發(fā)明的再一個實(shí)施例,在附圖中同樣沒有提供,隔離器件可以被提供在橋部件之間、例如在第一通孔35和上梁36之間、或第二通孔37和上梁36之間。
      上梁36與位線32和字線33定向?yàn)樾∮谝粋€角度例如45°。該角度是這樣的以便橋平面、即由橋部件35、36、37形成的平面的法線被以一個角度來定向,在此角度下切換場最小。磁阻存儲器元件31(例如MTJ堆疊)位于U形橋34的中心、位于第二和第三金屬層之間,即位于高于位線32的水平面和字線33的水平面兩者的水平面上。此外在一個較低優(yōu)選的本發(fā)明的實(shí)施例(附圖中未示出),磁阻存儲器元件可以放置在第一和第二金屬層之間,即放置在高于位線和字線的水平面之一且低于另一水平面的水平面上。然而,該實(shí)施例是較低優(yōu)選的,因?yàn)橛捎谄溥M(jìn)一步遠(yuǎn)離上梁36和第一通孔35,所以在磁性存儲器元件中讀出由流過橋接元件的電流產(chǎn)生的更小磁場。事實(shí)上,磁性存儲器元件處的磁場基本上只由第二通孔37中的電流形成。
      如圖3中所示的上述結(jié)構(gòu)僅僅是一個實(shí)例,如由已經(jīng)給出的可替換的實(shí)施例所述。而且,圖3中繪制的整個結(jié)構(gòu)可以上下顛倒,這意味著上梁36可以物理地位于器件的底部、在其中形成位線和字線的金屬層之下。
      MTJ存儲器元件31通常包括層結(jié)構(gòu),該層結(jié)構(gòu)包括固定層,自由層和其間的電介質(zhì)勢壘。而且,MTJ存儲器元件31還包括形成下電接觸或底電極的非磁性導(dǎo)線,以及在例如非磁性層上的上接觸或頂電極。自由層和固定層的堆疊還可以反置,以致上接觸位于固定的磁性層之上。固定的磁性層和自由的磁性層可以由例如NiFe或CoFe組成,而電介質(zhì)勢壘層可以例如由AlOx形成。而且,自由層和固定層兩者都可以由不同磁性層的多層形成,也可以由非磁性層或抗鐵磁層的組合形成。通過在其間具有電介質(zhì)的鐵磁層或亞鐵磁層的夾層之上施加小電壓,電子就能夠隧穿電介質(zhì)勢壘。
      磁阻元件31位于位線32和字線33的交叉點(diǎn)區(qū)之外,即位于位線32和字線33彼此交叉的區(qū)域之外。因?yàn)樵诖抛璐鎯ζ髟?1、例如MTJ堆疊之下,存在非導(dǎo)電線或金屬線,所以第三通孔39就可以設(shè)置于此,以便將磁阻存儲器元件31的底電極向下連接到用于讀操作的選擇晶體管T。磁阻元件31、例如MTJ堆疊的頂電極就與上梁36接觸。
      圖4示出了所提出的結(jié)構(gòu)的頂視圖,且圖5示出了側(cè)視圖。事實(shí)上,為了最大化流過隔離器件38的電流的限制,每個單元30中的隔離器件38的區(qū)域就應(yīng)當(dāng)盡可能擴(kuò)展,只要它不會接觸第三通孔39和相鄰單元30的隔離器件38。
      通過使相應(yīng)字線33的一端接地,同時將脈沖電壓Vwrite施加在相應(yīng)位線32的一端上,如圖3中所示,從而將二進(jìn)制值、即例如“1”或“0”寫入或存儲于存儲器單元30的存儲器元件31中。電流脈沖Iw將從位線32通過隔離器件38、第二通孔37、上梁36、第一通孔35和最終通過字線33流向地。圖6中還示出了這種情況。電流路徑形成了一個環(huán)路,根據(jù)右手定律,其產(chǎn)生磁場H。該磁場相對于易磁化軸以一個角度定向,由于橋34相對于位線32和字線33定向,因此該角度與在橋34的上梁36和位線32或字線33之間包含的角度例如45°相同。以這樣一種方式來選擇磁場強(qiáng)度,以致磁場強(qiáng)度超過在此角度下的自由層的切換場。由于橋34的形狀,由寫電流Iw產(chǎn)生的場就會增強(qiáng)且被集中于所選擇的存儲器元件31。通過按照相反方向發(fā)送電流,就可以在另一個方向上進(jìn)行寫入。由于隔離器件38,因此電流幾乎不可能通過未選擇的單元逃逸到其它路徑。
      隔離器件可以由金屬-勢壘-金屬、諸如在US-6331944中所述的金屬-絕緣體-金屬、或金屬-半導(dǎo)體-金屬的夾層結(jié)構(gòu)組成。在位線32之上或在字線33之上淀積并構(gòu)圖隔離器件。實(shí)質(zhì)上,隔離器件38可以提供相對原點(diǎn)對稱的非線性電流-電壓(I-V)特性。圖7示出了這種根據(jù)US-6331944的I-V曲線的正的部分。在偏壓VB(大約1伏)下通過隔離器件38的電流比在1/2VB的偏壓下大10倍。因此,由于在直接連接到此橋34的隔離器件38之上產(chǎn)生大量電壓降,所以圖3和圖6中的寫電流Iw將主要流過所選擇的橋34。因?yàn)樵谖催x擇的隔離器件38之上,電壓降僅僅是在所選擇的器件之上的電壓降的一半,所以流過位于同一所選擇的位線32或所選擇的字線33上的未選擇的橋34的寄生電流比流過所選擇的橋34的電流就會小至少10倍。因?yàn)殡娏鬟M(jìn)一步被分流,因此流過陣列中的剩余未選擇單元的電流就會非常小。這種情況解釋如下寄生電流首先從例如所選擇的位線流向直接連接到此位線的未選擇單元,然后在通過直接連接到所選擇字線的未選擇單元流動之前通過許多路徑(陣列越大,路徑就會越多)來分流,因此最終流向此字線。因此,通過未直接連接到所選擇位線或字線的所有單元的所有寄生路徑的總電阻就被認(rèn)為是零(短路)。這就產(chǎn)生了圖10中的簡化圖,圖10中可以清楚地看出,如果認(rèn)為可忽略Rconnect,那么每個Runselect上的電壓降為在Rselect上的電壓降的(大約)一半。
      隔離器件38應(yīng)當(dāng)具有對稱的I-V特性,即它應(yīng)當(dāng)是雙向?qū)ǚ蔷€性器件,因?yàn)闉榱四軌蛟趦蓚€方向上進(jìn)行寫入(即在兩個方向上產(chǎn)生磁場),所以當(dāng)按照任何相反的方向都可以發(fā)送電流時器件就必須具有對稱的特性。除了在此如上所述的金屬-勢壘-金屬結(jié)構(gòu)之外,同樣提供對稱非線性特性的其它結(jié)構(gòu)、諸如n/p+/n結(jié)構(gòu)和n+/n-/p+/n-/n+結(jié)構(gòu)及其互補(bǔ)形式也是可能的,如在US-5991193中也提及。
      以類似于常規(guī)設(shè)計的方式完成存儲器元件31內(nèi)容的讀取。讀取電流經(jīng)由所選擇的字線33、第一通孔35、橋34的上梁36通過例如MTJ堆疊的磁阻存儲器元件31、第三通孔39來發(fā)送,并終止于目前處于導(dǎo)通狀態(tài)的選擇晶體管T。
      根據(jù)本發(fā)明的存儲器單元結(jié)構(gòu)允許獲得具有非常小電流的足夠大的寫入場。這是因?yàn)?,總寫入場為通過U形橋34的三段35、36、37而產(chǎn)生的場的總和,并且此總場已經(jīng)定向?yàn)樽钚∏袚Q場的方向、例如相對于磁阻元件31的易磁化軸為45°。因?yàn)樵谶M(jìn)行寫入期間代替兩個電流脈沖、僅發(fā)送一個電流脈沖,相同的電流流過位線32和字線33兩條線,所以就進(jìn)一步降低了功耗。此外,作為統(tǒng)計平均,電流Iw必須只流過位線32和字線33的一半,這樣就能夠降低線32、33的一些電阻。以下的粗略計算展示了本發(fā)明提供更大的功耗減少。
      對于常規(guī)設(shè)計的計算(圖8)假設(shè),自由層80位于分別遠(yuǎn)離位線32和字線33的250nm和550nm的距離處。根據(jù)Biot-Savart定律,在自由層80處由位線32中的電流I1產(chǎn)生的磁場為H1[Am]=6.37*105I1[A]]]>并且,在自由層80處由字線33中的電流I2產(chǎn)生的磁場為H2[Am]=2.89*105I2[A]]]>為了保持45°下所獲得的磁場Hconvent,因?yàn)槲痪€32和自由層82之間的距離與字線33和自由層80之間的距離不同,所以I2就必須為2.2*I1(圖9)。最后,45°下所獲得的磁場根據(jù)I1表示為Hconvent=H12+H22=9.03*105I1.]]>功耗為Pconvent=Rline*(I12+I22)=5.84*Rline*I12,其中Rline是字線33或位線32中的任何一條線的電阻,對于此計算,可以將兩條線32、33的電阻假設(shè)為相等。
      對于本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)計的計算(圖6)假設(shè)U形橋34包括800nm長的第一通孔35、300nm長的上梁36和1600nm長的第二通孔37。自由層80位于上梁36之下150nm的距離處。這意味著為了比較,金屬層之間的距離(其中構(gòu)圖了位線32和字線33的第一和第二金屬層)保持與常規(guī)情況下的距離(800nm)相等。根據(jù)Biot-Savart定律,在相對于易磁化軸的45°下由橋34產(chǎn)生的總場就為HU=2.55*106Iw,這里Iw是在此情況下的寫入電流。在該計算中,將由三段(第一通孔35、上梁36、第二通孔37)產(chǎn)生的場相加在一起。
      為了獲得與常規(guī)情況下相同的場(為了比較),設(shè)置HU等于Hconvent。
      因此2.55*106Iw=9.03*105I1,或者Iw=0.35I1。
      這就意味著,利用新的設(shè)計,與常規(guī)設(shè)計相比,為了在自由層80中獲得相同的磁場,就只需要通過位線32和字線33發(fā)送35%的電流。而且,在此情況下,就只需要一個電流Iw,然而在常規(guī)設(shè)計中,需要兩個電流I1和I2。
      為了計算出新的設(shè)計中的功耗,圖10簡化并示出了100×100個單元陣列的示意性電路圖。在此附圖中,只包括在寫操作下包含的部件、即位線32、字線33和隔離器件38。電阻Rselect和Runselect是在所選擇的和未選擇的存儲器單元30處的隔離器件38的電阻。因?yàn)楦鶕?jù)隔離器件38的非線性特性,Runselect以Rselect上的一半電壓來偏壓,所以可以假設(shè)Runselect為例如12.5*Rselect。電阻Rselect設(shè)置為大致等于Rline,這實(shí)際上是合理的。寄生路徑(sneak path)主要通過直接連接到所選擇的位線32和字線33的所有未選擇的存儲器單元30。認(rèn)為所有其它存儲器單元30短路。還考慮在兩個相鄰單元(Rconnect=1/100Rline)之間的部分位線32和字線33的電阻,其必須與對于常規(guī)情況下的計算進(jìn)行比較。
      統(tǒng)計學(xué)地,平均寫入電流必須通過位線32的一半和字線34的一半。因此,該計算考慮所選擇的存儲器單元30位于陣列中央的一般情況。
      該計算揭示了圖10中所示的情況,流過Rselect的電流(即Iw)小于供應(yīng)給電路的總電流的3.07倍,并且電路的總電阻為0.38*Rline。因此,在此情況下的功耗為PU=0.38*Rline*(3.07*Iw)2為了與常規(guī)情況進(jìn)行比較,將Iw設(shè)置為0.35*I1,以獲得相同的場。此結(jié)果為PU=0.38*Rline*(3.07*0.35*I1)2=0.44*Rline*I12與常規(guī)設(shè)計相比,本發(fā)明的設(shè)計可以節(jié)約5.48/0.44=13.3倍的功耗。
      本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的可選擇性顯著優(yōu)于常規(guī)結(jié)構(gòu)的可選擇性。這是因?yàn)閷懭雸鰞H僅集中于U形橋34處且相對于易磁化軸定向于45°之下,在此角度下切換場最低。另一方面,因?yàn)槲痪€32被深深埋入在磁阻元件31(例如MTJ堆疊之下),所以由所選擇的位線32產(chǎn)生、卻施加到處于相同位線32上的未選擇單元的場就非常小,并且此場相對于易磁化軸定向于0°,在此角度下切換場最高。以下計算將揭示更多內(nèi)容。
      根據(jù)上述的場計算,在U形橋34(所選擇存儲器單元30處)之中的自由層80處產(chǎn)生的場在45°為2.55*106Iw,此意味著在此角度下單元的最大切換場就不會超過該值。因此,0°的最大切換場就應(yīng)當(dāng)不超過2*2.55*106Iw=5.1*106Iw(根據(jù)星形曲線,45°的切換場HS為0°的切換場的一半)。
      流過所選擇的位線32的電流Iw產(chǎn)生場Hbit-unselect=1.09*105Iw該場施加到處于相同位線32上的所有未選擇的存儲器元件31、例如MTJ堆疊(參見圖11)。因?yàn)槲痪€32埋入更加遠(yuǎn)離磁阻存儲器元件31(例如MTJ堆疊)的自由層80,所以此場就非常小,(在此計算中,也可以參見圖6,假設(shè)自由層80和位線32之間的垂直距離為1450nm)。此場的面內(nèi)部件為Hinplane=1.08*105Iw此場平行于自由層80的易磁化軸。正交部件是可忽略地更小,且由于自由層80的大的薄層各向異性,因此正交部分顯然就不重要。此外,未選擇的磁阻存儲器元件31(例如MTJ堆疊)也容易受到小場HU-unselect=(2.55/12.5)*106Iw=0.2*106Iw該場定向于45°(參見圖11,頂視圖)。此場由流過U形橋34的寄生電流產(chǎn)生,因此它小于所選擇的存儲器單元30處產(chǎn)生的場12.5倍。施加到未選擇的存儲器元件31(例如MTJ堆疊)上的產(chǎn)生的場Htotal- unselect最終就為2.87*105Iw且相對于易磁化軸定向于29.5°。此場設(shè)定了所有單元的最小切換場。這就意味著,為了避免不希望的過寫入,所有單元在29.5°必須具有大于2.87*105Iw的切換場。從星形曲線(圖1)中應(yīng)當(dāng)發(fā)現(xiàn),0°下對應(yīng)的最小切換場就必須為5.47*105Iw。結(jié)合早期已經(jīng)給出的最大場要求,在電流設(shè)計中的選擇窗口就可以表示為(參見圖12)Hs-max=9.32*Hs-min比較圖2和圖12的情況,可以發(fā)現(xiàn),將本發(fā)明設(shè)計的選擇性徹底地提高了2.26倍的系數(shù)。而且,因?yàn)榻y(tǒng)計學(xué)地、只有處于相同行的未選擇單元的一半和處于相同列的未選擇單元的一半容易受到寄生寫入電流,所以假如存在任何不希望的過寫入,對于不希望的過寫入的概率就減少至大約一半。
      局部地形成環(huán)路,U形橋34仍具有非常低的自感應(yīng),其不會影響磁阻存儲器的高頻性能。粗略計算顯示,除了導(dǎo)線的直線部分之外的橋34的電感為大約10-13-10-11H。此數(shù)值仍然小于單匝記錄頭的電感大約2個數(shù)量級,其毫無疑問地可在1GHz下操作。
      圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的器件的可替換實(shí)施例。本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)基本上與圖3中所示的第一實(shí)施例相同。不同之處在于,對于每個存儲器30單元都不具有選擇晶體管T。因此,沒有出現(xiàn)圖3中所示的第三通孔39。相反,將讀出線130構(gòu)圖到磁阻存儲器元件31的底電極之下的導(dǎo)電層中。讀出線130連接彼此位于相同字線33上的所有磁阻存儲器元件31的底電極。換句話說,每條讀出線130與磁阻存儲器元件31的行相關(guān),就象字線33那樣。當(dāng)進(jìn)行讀出時,使用與位線32在一起的這些讀出線130?,F(xiàn)在,如上所述,在讀出期間,隔離器件38再次與磁阻存儲器元件31、諸如MTJ串聯(lián),并且可用作阻擋讀取期間的寄生電流。該操作類似于US-6331944中的描述。例如,通過與所選擇的存儲器單元ith相關(guān)的讀出線130來發(fā)送讀出電流、通過單元ith的磁阻存儲器元件31、通過上梁36、第二通孔37、隔離器件38、并最終通過與所選擇的存儲器單元ith相關(guān)的位線32流出,從而執(zhí)行例如單元ith的讀出。此讀出電流將讀出存儲器單元ith的電阻,或者由此讀出該單元的存儲器元件31的電阻,并且就能夠檢測到存儲器單元ith的數(shù)字狀態(tài)。
      第三實(shí)施例類似于第二實(shí)施例。不同之處是如何制造隔離器件38。代替淀積金屬-勢壘-金屬的夾層膜并對它進(jìn)行構(gòu)圖,在本實(shí)施例中,在位線32的已拋光表面上淀積連續(xù)的勢壘層140,然后不進(jìn)行構(gòu)圖,在勢壘層140之上形成第二通孔37(圖14)。在此情況下,位線32和第二通孔37就作為金屬-勢壘-金屬結(jié)構(gòu)的兩個金屬電極。利用這種設(shè)計,就能夠省略用于構(gòu)圖隔離器件38的額外掩膜。
      圖15-圖17說明了第四實(shí)施例,圖15-圖17分別示出了透視圖、側(cè)視圖和頂視圖。在本實(shí)施例中,橋接元件34是L形橋,即它包括位于平行于字線33或位線32的平面的平面中的第一部件上梁36,以及垂直于上梁36的第二部件通孔37。在與字線33相同水平面或相同金屬層中構(gòu)圖上梁36。磁阻存儲器元件、例如MTJ元件31設(shè)置于其是其中已經(jīng)構(gòu)圖位線32和字線33的金屬層的1st和2nd金屬層之間。在本實(shí)施例中,在NTJ元件31處產(chǎn)生的磁場小于用其它實(shí)施例的器件所產(chǎn)生的磁場,因?yàn)樵诖饲闆r下,僅僅由橋接元件34的兩段通孔37和上梁36來產(chǎn)生磁場。除此之外,利用第二實(shí)施例的教導(dǎo),可以應(yīng)用與根據(jù)第四實(shí)施例的器件的組合。這就意味著,當(dāng)進(jìn)行讀取時,針對使用,讀出線可以設(shè)置于MTJ元件31之下。應(yīng)當(dāng)理解,雖然在此針對根據(jù)本發(fā)明的器件已經(jīng)討論了優(yōu)選實(shí)施例、具體構(gòu)造和配置、以及材料,但在不脫離本發(fā)明的范圍和精神之下在形式和細(xì)節(jié)上可以進(jìn)行各種改變和修改。例如,隔離器件38可以僅僅位于通孔37的上端處的橋接元件34的上梁36之下。在如上所述的說明書中,已經(jīng)注意到了一些其它可能性。
      權(quán)利要求
      1.磁阻存儲器單元,其包括磁阻存儲器元件,第一電流線和第二電流線,該第一和該第二電流線在交叉點(diǎn)區(qū)處彼此交叉但不直接接觸,其中橋接元件在該交叉點(diǎn)區(qū)附近連接該第一和第二電流線,并且該橋接元件磁性地耦合到該磁阻存儲器元件。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻存儲器單元,其中該橋接元件包括至少第一部件和與其垂直的第二部件,該第一部分位于平行于所述第一和第二電流線的平面中。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻存儲器單元,其中所述橋接元件是導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻存儲器單元,在所述橋接元件和所述第一電流線之間或在該橋接元件和所述第二電流線之間具有隔離器件。
      5.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻存儲器單元,在所述橋接元件的部件之間具有隔離器件。
      6.根據(jù)權(quán)利要求4的磁阻存儲器單元,其中所述隔離器件具有非線性電流-電壓特性。
      7.根據(jù)權(quán)利要求6的磁阻存儲器單元,其中所述隔離器件具有對稱的非線性電流-電壓特性。
      8.根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻存儲器單元,所述橋接元件具有中心點(diǎn),其中該磁阻存儲器元件位于該橋接元件的該中心點(diǎn)。
      9.磁阻存儲器單元矩陣,每個磁阻存儲器單元包括磁阻存儲器元件,該磁阻存儲器單元鏈接在一起以形成邏輯組成的行和列,每行配置有第一電流線且每列配置有第二電流線,該第一和該第二電流線在交叉點(diǎn)區(qū)處彼此交叉,其中橋接元件在該交叉點(diǎn)區(qū)附近連接該第一和第二電流線,并且該橋接元件磁性地耦合到該磁阻存儲器元件。
      10.根據(jù)權(quán)利要求9的矩陣,其中每個存儲器單元配置有選擇晶體管。
      11.根據(jù)權(quán)利要求9的矩陣,其中存儲器單元的每行配置有讀出線。
      12.在磁阻存儲器單元矩陣中寫入數(shù)值的方法,每個磁阻存儲器單元包括磁阻存儲器元件,該磁阻存儲器單元鏈接在一起以形成邏輯組成的行和列,每行配置有第一電流線且每列配置有第二電流線,該第一和該第二電流線在該存儲器單元中的交叉點(diǎn)區(qū)處彼此交叉,每個存儲器單元配置有導(dǎo)電連接該第一電流線和該第二電流線的橋接元件,該方法包括通過所選擇的第一電流線、通過所選擇的橋接元件并通過所選擇的第二電流線來發(fā)送電流。
      13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法,所述橋接元件通過隔離器件來導(dǎo)電連接所述第一電流線和所述第二電流線,該方法進(jìn)一步包括通過該隔離器件來發(fā)送電流。
      14.制造磁阻存儲器單元的方法,其包括在第一金屬層中形成第一電流線,在第二金屬層中形成第二電流線,在第三金屬層中形成橋接元件的背面部分,以及利用金屬間互連形成該橋接元件的直力腳。
      全文摘要
      本發(fā)明提供一種磁阻存儲器單元(30),該磁阻存儲器單元(30)包括磁阻存儲器元件(31),第一電流線(32)和第二電流線(33),該第一和第二電流線(32,33)在交叉點(diǎn)區(qū)彼此交叉但不直接接觸。根據(jù)本發(fā)明,橋接元件(34)在交叉點(diǎn)區(qū)附近連接該第一和第二電流線(32,33)。該橋接元件(34)磁性地耦合到磁阻存儲器元件(31)。根據(jù)本發(fā)明的MRAM結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于,它比現(xiàn)有技術(shù)的器件允許更低的功耗且在寫入期間允許高選擇性。本發(fā)明還提供一種在根據(jù)本發(fā)明的磁阻存儲器單元(30)的矩陣中寫入數(shù)值的方法以及一種制造這樣的磁阻存儲器單元(30)的方法。
      文檔編號G11C11/15GK1745429SQ200480003168
      公開日2006年3月8日 申請日期2004年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月31日
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