專利名稱：磁性存儲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁性存儲裝置，更具體但不唯一地涉及一種磁性隨機(jī)存取存儲器。本發(fā)明還涉及一種寫入磁性存儲裝置的方法。
背景技術(shù)：
磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)的出現(xiàn)是長期以及短期數(shù)據(jù)存儲發(fā)展中極具前景的一步。MRAM具有非易失性的益處，而且具有比閃存(Flash)更低的能耗和更快的讀寫時(shí)間。MRAM還具有比通用的易失性存儲器動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)和靜態(tài)RAM(SRAM)更低的能耗，和比DRAM更快的讀寫時(shí)間。
傳統(tǒng)的MRAM單元(cell)包括磁性元件，其具有鐵磁自由層和鐵磁固定(pinned)層，二者由非磁性層分隔。該固定層具有相對高的矯頑性，使其磁化強(qiáng)度(magnetisation)在施加寫入磁場時(shí)保持固定。自由層具有相對低的矯頑性，使其磁化強(qiáng)度在施加寫入磁場時(shí)能夠改變。
為了寫入MRAM單元，可以施加寫入磁場以切換自由層的磁化強(qiáng)度使其與固定層的平行或者反平行。自由層表現(xiàn)出磁滯性，因此它的磁化強(qiáng)度在去除磁場時(shí)保持不變。這導(dǎo)致形成了非易失性的存儲器。
為了讀取MRAM單元的狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)一個(gè)小電流通過該磁性元件。該磁性元件的磁阻在自由層和固定層磁化強(qiáng)度反平行時(shí)比自由層和固定層磁化強(qiáng)度平行時(shí)高。以此方式，通過測量磁性元件的阻抗可以確定該磁性元件的狀態(tài)。
IEEE Transactions on Magnetics，Vol.36，No.5(2000年9月)，2752-2757頁，S.Tehrani等人的“Recent Developments in Magnetic Tunnel Junction MRAM”中描述了一種傳統(tǒng)的MRAM。
這種傳統(tǒng)MRAM遭受了以下缺陷，隨著MRAM單元尺寸的減小，轉(zhuǎn)換自由層磁化強(qiáng)度所需的磁場變大。因此，裝置的功耗隨著單元尺寸的減小而增加。
另一種用于寫入磁性元件的技術(shù)是自旋-轉(zhuǎn)移-扭矩(spin-transfer-torque，STT)轉(zhuǎn)換。該STT轉(zhuǎn)換在Phys.Rev.B，Vol.54(1996)，9353頁，J.C.Slonczewski的“Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers”中有描述。為轉(zhuǎn)換自由層的磁化強(qiáng)度，不施加磁場，而是驅(qū)動(dòng)電流通過垂直于自由層和固定層的表面的磁性元件。這能導(dǎo)致自旋極化電子注入到自由層，其通過在電流被驅(qū)動(dòng)由自由層流向固定層時(shí)使電子流過固定層，或者在電流被驅(qū)動(dòng)由固定層流向自由層時(shí)使電子從固定層散射來實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)自旋極化電子注入到自由層時(shí)，它們的自旋角動(dòng)量與自由層的磁矩相互作用。這些電子將它們角動(dòng)量的一部分轉(zhuǎn)移給自由層。這可在自旋極化電流足夠大時(shí)轉(zhuǎn)換自由層的磁化強(qiáng)度。
應(yīng)用STT轉(zhuǎn)換的MRAM在2005 Symposium on VLSI Technologt Digest ofTechnical Papers，184頁，W.C.Jeong等人的“Highly scalable MRAM using fieldassisted current induced switching”中有描述。
STT轉(zhuǎn)換需要的電流隨著單元尺寸的減小而減小。因此，高密度MRAM可以應(yīng)用STT轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。對于DC電流，STT轉(zhuǎn)換的閾值電流密度依賴于材料常數(shù)，諸如飽和磁化強(qiáng)度，吉爾伯特阻尼常數(shù)，以及固定層和自由層的自旋極化。然而，納秒脈沖需要的電流遠(yuǎn)大于DC閾值電流。已知該納秒時(shí)段需要的電流如下I＝Ic0(1+C·tp-1) (1)其中C是常數(shù)，Ic0是DC閾值電流。根據(jù)以上的方程(1)，對于1ns脈沖而言轉(zhuǎn)換磁化強(qiáng)度所需的電流是DC閾值電流的4倍。因此，具有快速寫入時(shí)間的STT轉(zhuǎn)換MRAM將具有較大功耗。
另一種MRAM描述在IEEE International Electronic Device Meeting 2005，19.1頁，M.Hosomi等人的“A Novel Non-volatile Memory with Spin TorqueTransfer Magnetization SwitchingSpin-RAM”中，其中示出了STT轉(zhuǎn)換需要的電流在納秒時(shí)段顯著增加。
在Appl.Phys.Lett.，86，pp.062505(2005)，T.Devolder等人的“Prechargingstrategy to accelerate spin-transfer switching below the nanosecond”中，描述了一種MRAM，其中除了短RF電流脈沖以外還施加DC偏置電流。這可以減小納秒時(shí)段STT轉(zhuǎn)換需要的電流。然而，使用DC偏置電流顯著增加了MRAM的總功耗。
另外，應(yīng)用STT轉(zhuǎn)換的MRAM在轉(zhuǎn)換電流中具有本征概率分布。這是由熱漲落引起的自由層初始磁化方向分布造成的。為保證誤差自由轉(zhuǎn)換，在所有MRAM單元中，轉(zhuǎn)換電流都增加。此外，寫入電流和讀取電流的差值減小了。
傳統(tǒng)MRAM裝置設(shè)計(jì)參看圖1，示出了現(xiàn)有MRAM陣列的示意圖。該MRAM陣列以交叉點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)置，在每一多個(gè)比特線3之一和多個(gè)與比特線3垂直設(shè)置的數(shù)字(digit)線5之一的交叉部分之間都有磁隧道結(jié)(MTJ)1。因此，該陣列的每行由比特線3限定，而每列由數(shù)字線5限定。
MTJ 1與比特線3電接觸。但是，MTJ 1通過絕緣矩陣18與數(shù)字線5電絕緣。
MTJ 1在MTJ 1的平面(此處限定為x-y面)內(nèi)具有易磁化軸，并在MTJ1的平面內(nèi)具有難磁化軸。在此例中，易磁化軸定義為平行于x軸，而難磁化軸定義為平行于y軸。比特線3平行于MTJ 1的易磁化軸取向，即平行于x軸取向。數(shù)字線5平行于MTJ 1的難磁化軸取向，即平行于y軸取向。
每個(gè)MTJ 1都設(shè)置在一個(gè)底部電極7上。每個(gè)底部電極7都連接至隔離晶體管9，9a，9b。每個(gè)隔離晶體管9，9a，9b都連接至傳感(sense)線(未示出)。字符(word)線11平行于數(shù)字線5延伸，即平行于y軸。每個(gè)字符線11都連接至單列上全部晶體管9，9a，9b的柵極。
圖2是沿A-A’線，穿過MRAM陣列一行的兩個(gè)相鄰存儲器單元的截面圖。每個(gè)存儲器單元13a，13b都由一個(gè)晶體管9a，9b和一個(gè)MTJ 1a，1b構(gòu)成。為了最小化單元的面積，每個(gè)隔離晶體管9a，9b的源極15都在相鄰單元13a，13b之間共享。傳感線17連接至隔離晶體管9a，9b的源極15。
如上所述，MTJ 1a，1b都連接至比特線3。每個(gè)MTJ 1a，1b通過相應(yīng)的底部電極7a，7b連接至晶體管9a，9b的漏極19a，19b。字符線11a，11b連接至晶體管9a，9b的柵極21a，21b。數(shù)字線5a，5b在每個(gè)MTJ 1a，1b之下延伸。數(shù)字線5a，5b通過絕緣矩陣18與底部電極7a，7b分隔。
每個(gè)MTJ 1a，1b包括自由層23，固定層(pinned)25，和自由層23與固定層25之間的薄介電勢壘27。釘扎(pinning)層29耦合到固定層25。自由層23是具有相對較低矯頑力的鐵磁層。固定層25是具有相對較高矯頑力的鐵磁層。介電勢壘27具有電子可隧穿的厚度。釘扎層29是反鐵磁層，阻止固定層25磁化強(qiáng)度的切換。
介電勢壘27包括氧化鋁(AlOx)，具有大約20的厚度。自由層23和固定層25由鐵化鎳(NiFe)構(gòu)成。釘扎層29由錳化鐵(FeMn)或錳化銥(IrMn)構(gòu)成。
裝置工作現(xiàn)將描述現(xiàn)有存儲器單元的讀和寫操作。
為寫入存儲器單元13a，不施加偏壓至字符線11a，使晶體管9a關(guān)閉。因此，沒有電流可以流過MTJ 1a。之后，驅(qū)動(dòng)電流通過比特線3。這將沿MTJ 1a和MTJ 1b的難磁化軸生成磁場H1。而且，還驅(qū)動(dòng)電流通過數(shù)字線5a。這將沿著MTJ 1a的易磁化軸生成磁場H2。
比特線3生成的磁場H1大約為轉(zhuǎn)換自由層23磁場強(qiáng)度所需磁場的一半。數(shù)字線5a生成的磁場H2也大約為轉(zhuǎn)換自由層23磁場強(qiáng)度所需磁場的一半。該兩個(gè)磁場H1和H2的總和剛剛超過自由層23的轉(zhuǎn)換閾值。
因此，MTJ 1b附近生成的磁場不足以導(dǎo)致自由層23的轉(zhuǎn)換。但是，MTJ1a附近生成的磁場足夠?qū)е伦杂蓪?3的轉(zhuǎn)換。以此方式，通過驅(qū)動(dòng)電流通過對應(yīng)MTJ 1a的行的比特線3和通過對應(yīng)MTJ 1a的列的數(shù)字線5a僅單獨(dú)轉(zhuǎn)換了MTJ 1a。
磁場H1和H2的總和不足以導(dǎo)致固定層25的轉(zhuǎn)換。
為了讀取存儲器單元13a，施加偏壓至字符線11a，使晶體管9a導(dǎo)通。因此，電流可以流過MTJ 1a，電流也可以流過在陣列中相同列的全部MTJ。之后，施加偏壓至比特線3。因此，電流流過字符線11a定義的列和比特線3定義的行中的MTJ 1a。
MTJ 1a的磁阻取決于自由層23的磁化方向。當(dāng)自由層23的磁化強(qiáng)度平行于固定層25的磁化強(qiáng)度設(shè)置時(shí)，介電勢壘27兩側(cè)對上自旋(spin-up)和下自旋(spin-down)電子具有相等的態(tài)密度。這導(dǎo)致較高幾率隧穿勢壘27，形成低阻態(tài)。當(dāng)自由層23的磁化強(qiáng)度反平行于固定層25的磁化設(shè)置時(shí)，勢壘27兩側(cè)對上自旋和下自旋電子具有不等的態(tài)密度。這降低了隧穿勢壘27的幾率，形成高阻態(tài)。
存儲器單元13a的阻抗通過傳感電路(未示出)與相關(guān)的參考存儲器單元(未示出)進(jìn)行比較。以此方式，可以確定存儲器單元13a的狀態(tài)。
以上所述存儲器單元13a的尺寸由有效功率限制。這是因?yàn)?，隨著MTJ尺寸的減小，自由層23的矯頑力增大，這增加了通過比特線3和數(shù)字線5以轉(zhuǎn)換存儲器單元13a所需的電流。另外，當(dāng)寫入時(shí)，半選擇的MTJ(即，所選數(shù)字線的列或者所選比特線的行中的MTJ)具有減小的反磁化能勢壘。這降低了它們自由層的熱穩(wěn)定性。而且，這種寫入方法因自由層的形狀變化而遭受較小的寫入范圍(margin)。
如上所述，STT轉(zhuǎn)換MRAM對給定的單元尺寸能夠減小所需功率。但是，納秒時(shí)段需要的寫入電流可能比DC閾值電流大許多倍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明試圖至少改進(jìn)一些以上的問題。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種寫入磁性存儲裝置的方法，該磁性存儲裝置包括第一(31；201)和第二(49；217)引腳，和所述引腳之間設(shè)置的磁阻多層結(jié)構(gòu)(37；207；247；255)，所述多層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出相對較高的第一阻態(tài)和相對較低的第二阻態(tài)，該多層結(jié)構(gòu)響應(yīng)于給定持續(xù)時(shí)間和量值的脈沖可由第一態(tài)切換至第二態(tài)，該脈沖量值為一電流閾值，該電流閾值是切換該多層結(jié)構(gòu)所需的最小電流值且其基于該脈沖的持續(xù)時(shí)間，所述方法包括將小于閾值電流值的第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)；和增加通過該多層結(jié)構(gòu)的電流，從而通過小于所述閾值電流值的較高量值的第二電流。
該方法可以大大減小轉(zhuǎn)換多層結(jié)構(gòu)所需的電流，并可以在不用顯著增加存儲器裝置總功耗的情況下實(shí)現(xiàn)。
上述將電流通過該多層結(jié)構(gòu)可以包括將小于所述閾值電流值的第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)，其持續(xù)時(shí)間小于給定持續(xù)時(shí)間。
將電流通過該多層結(jié)構(gòu)可以包括將所述閾值電流值0.1至0.5倍之間的第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)。
將第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)可以包括將電流通過該多層結(jié)構(gòu)，持續(xù)時(shí)間為給定持續(xù)時(shí)間的0.1至0.4倍之間。該給定持續(xù)時(shí)間可以小于10ns。
將第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)可以包括在持續(xù)時(shí)間內(nèi)以固定強(qiáng)度將電流通過該多層結(jié)構(gòu)。
將電流通過該多層結(jié)構(gòu)可以包括將小于或等于DC閾值電流的第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)，該DC閾值電流為切換該多層結(jié)構(gòu)需要的最小DC電流。
將電流通過該多層結(jié)構(gòu)可以包括將小于所述閾值電流值的第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)，其持續(xù)時(shí)間為1ns和2ns之間。
增加電流可以包括增加電流至所述閾值0.3至0.5倍之間的第二量值。
增加電流可以包括增加電流至預(yù)定的強(qiáng)度，并保持電流在該強(qiáng)度持續(xù)一段小于給定持續(xù)時(shí)間的時(shí)間。
增加電流可以包括增加電流至預(yù)定的強(qiáng)度，并在處于給定持續(xù)時(shí)間的0.1至0.4倍之間的一周期內(nèi)將電流保持在該強(qiáng)度。該給定持續(xù)時(shí)間可以小于10ns。
增加電流可以包括增加電流至預(yù)定的強(qiáng)度，并保持電流在固定的強(qiáng)度上。
該方法還可以進(jìn)一步包括將電流從基準(zhǔn)電流強(qiáng)度升為預(yù)定電流強(qiáng)度。
該方法還可以進(jìn)一步包括將電流從零電流強(qiáng)度升為預(yù)定電流強(qiáng)度。
該方法還可以進(jìn)一步包括將電流從預(yù)定電流強(qiáng)度升為量值較高的第二電流強(qiáng)度。
該方法還可以進(jìn)一步包括將電流從量值較高的第二電流強(qiáng)度降為較低電流強(qiáng)度。
該方法還可以進(jìn)一步包括將電流從量值較高的第二電流強(qiáng)度降為基準(zhǔn)強(qiáng)度。
切換多層結(jié)構(gòu)需要的電流閾值I是I＝Ic0(1+C·tp-1)，其中Ic0是DC閾值電流，為切換多層結(jié)構(gòu)需要的最小DC電流，C是常數(shù)，tp是脈沖的持續(xù)時(shí)間。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種存儲器，包括磁性存儲裝置，該磁性存儲裝置包括第一和第二引腳；所述引腳之間設(shè)置的磁阻多層結(jié)構(gòu)(37；207；247；255)，所述多層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出相對較高的第一阻態(tài)和相對較低的第二阻態(tài)，該多層結(jié)構(gòu)響應(yīng)于給定持續(xù)時(shí)間和量值的脈沖可由第一態(tài)切換至第二態(tài)，該脈沖量值為一電流閾值，該電流閾值是切換該多層結(jié)構(gòu)所需的最小電流值且其基于該脈沖的持續(xù)時(shí)間；和控制該磁性存儲裝置的電路，配置成執(zhí)行前述方法。
這種磁性存儲裝置中，可以使用較小的切換電流。而且，切換電流的或然性可以減小。


以下將參考附圖中的圖3A至15舉例描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中圖1是現(xiàn)有磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)陣列的示意圖；圖2是沿A-A’線作的兩個(gè)相鄰現(xiàn)有MRAM單元的截面圖；圖3A是包括本發(fā)明磁性存儲裝置實(shí)施例的存儲器陣列的平面圖；圖3B是沿B-B’線作的圖3A所示存儲器陣列的截面圖；圖3C是沿C-C’線作的圖3A所示存儲器陣列的截面圖；圖3D是圖3A所示存儲器陣列部分的側(cè)視圖；圖4是圖3A所示存儲器陣列所用磁隧道結(jié)的截面圖；圖5示出了圖3A所示存儲器陣列的控制電路；圖6示出了在讀取周期施加到圖3A所示存儲器陣列的偏壓；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明在寫入周期施加到圖3A所示存儲器陣列的偏壓；圖8示出了寫入周期通過圖3A所示存儲器陣列的電流；圖9A到9F是在寫入周期各個(gè)時(shí)間的圖3A所示存儲器陣列的自由層和固定層的磁化強(qiáng)度示意圖；圖10A和10B是STT轉(zhuǎn)換電流相對脈沖持續(xù)時(shí)間的圖表；圖11A到11H示出了3A所示裝置的制造方法；圖12A是包括磁性存儲裝置實(shí)施例的存儲器陣列的平面圖；圖12B是沿D-D’線作的圖9A所示存儲器陣列的截面圖；圖12C是沿E-E’線作的圖9A所示存儲器陣列的截面圖；
圖13示出了圖9A所示存儲器陣列的控制電路；圖14和15示出了根據(jù)本發(fā)明的其他磁隧道結(jié)的截面圖。
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施例裝置設(shè)計(jì)參照圖3A至3D，示出了存儲器陣列的第一實(shí)施例。該存儲器陣列是磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)。
具體參照圖3A，儲存器陣列由多個(gè)字符線53和多個(gè)比特線31構(gòu)成，字符線53定義了陣列的第一維度，在此例中為陣列的列，比特線31位于字符線53之上并垂直于字符線53，其定義了陣列的第二維度，在此例中為陣列的行。具有迭加層的多個(gè)磁隧道結(jié)(MTJ)37連接至每個(gè)比特線31的下側(cè)，位于字符線53之間的空間。
比特線31排列在第一方向，此處限定為x軸。字符線53排列在第二方向，此處限定為y軸。
如圖3A所示，每個(gè)MTJ 37形成為側(cè)壁38限定的柱(pillar)，并具有橢圓形底部，短軸為L1，長軸為L2。在此例中，柱在其高度上具有統(tǒng)一的截面，即在x-y平面具有統(tǒng)一的截面。長軸L2和短軸L1的長度差提供了磁形狀各向異性。在此例中，短軸L1的長度和長軸L2的長度比值是1∶1.5。因此，每個(gè)MTJ 37都具有平行于長軸(即平行于x軸)的易磁化軸，和平行于短軸(即平行于y軸)的難磁化軸。
具體參照圖3B，每個(gè)MTJ 37的上側(cè)都連接至比特線31的下側(cè)。每個(gè)MTJ 37的下側(cè)都連接至底部電極39。通孔41將每個(gè)底部電極39連接到襯底45的有源區(qū)43。該有源區(qū)43限定了襯底45內(nèi)可發(fā)生電荷載流子擴(kuò)散的區(qū)域。
在襯底45內(nèi)有源區(qū)43通過淺溝槽隔離(shallow trench isolation，STI)區(qū)47相互隔離。
具體參照圖3C，傳感線49平行于每個(gè)比特線31并在其下延伸。傳感線49通過絕緣矩陣50與比特線31、底部電極39、和通孔41隔離。通孔51將每個(gè)有源區(qū)43與其上的傳感線49相連接。
字符線53設(shè)置在襯底45上，并通過柵氧化物53a彼此隔離。字符線53垂直于比特線31和傳感線49排列。字符線53通過絕緣矩陣55與傳感線49隔離。
具體參照圖3A，在陣列的每行上，在相鄰對的字符線53之間交替設(shè)置MTJ 37。例如，對第一比特線311，第一MTJ 371設(shè)置在第一字符線(未示出)和第二相鄰字符線532之間，第二MTJ 372設(shè)置在第三和第四字符線533，534之間，第三MTJ 373設(shè)置在第五和第六字符線535，536之間。對于第二比特線312(相鄰于第一比特線311)，第四MTJ 374設(shè)置在第二和第三字符線532，533之間，第五MTJ 375設(shè)置在第四和第五字符線534，535之間，第六MTJ 376設(shè)置在第六字符線536和第七相鄰字符線(未示出)之間。每個(gè)比特線31上相鄰的MTJ 37設(shè)置成對59。
具體參照圖3D，每個(gè)MTJ對59具有有源區(qū)431，它在兩個(gè)MTJ 37a，37b的相應(yīng)通孔411，412之間延伸。STI區(qū)47分隔每個(gè)對59的有源區(qū)431。連接有源區(qū)431至傳感線49的通孔511設(shè)置在位于對59限定的區(qū)域內(nèi)的字符線532，533之間。
仍然參照圖3D，源極區(qū)61設(shè)置在有源區(qū)43中，位于每個(gè)連接底部電極39和有源區(qū)43的通孔41之下。漏極區(qū)63設(shè)置在有源區(qū)43中，位于每個(gè)連接傳感線49和有源區(qū)43的通孔51之下。因此，每個(gè)有源區(qū)43提供了兩個(gè)源極區(qū)61和一個(gè)漏極區(qū)63。每個(gè)源極區(qū)61和漏極區(qū)63通過它們之間的字符線53導(dǎo)電。因此，所述字符線53作為隔離晶體管81的柵極65，每個(gè)MTJ37設(shè)置一個(gè)隔離晶體管81。
參考圖3A到3D，存儲器單元66由一個(gè)MTJ 37和相應(yīng)的晶體管限定。晶體管的漏極區(qū)63在相鄰存儲器單元66之間共享。存儲器單元66具有8F2的面積。存儲器陣列的表面尺寸F可以為100nm或更小。
比特線31由導(dǎo)電材料構(gòu)成，諸如銅或鎢。
參照圖4，示出了MTJ 37的層結(jié)構(gòu)。
MTJ 37包括一系列層，包括覆蓋(capping)層82，自由層83，隧道勢壘層84，固定(pinned)層85，釘扎(pinning)層87，和緩沖層89。在此例中，覆蓋層82距離襯底45最遠(yuǎn)，緩沖層89距離襯底45最近。
自由層83由鐵磁材料構(gòu)成。自由層83具有相對低的矯頑力，在施加轉(zhuǎn)換電流或磁場時(shí)可以被切換。
隧道勢壘層84由絕緣材料構(gòu)成，諸如氧化鎂(MgO)，并且足夠薄使電子可以隧穿。
固定層85是合成反鐵磁(SAF)。該SAF 85包括具有第一磁化強(qiáng)度的第一鐵磁子層91，和具有第二磁化強(qiáng)度的第二鐵磁子層93，二者通過反鐵磁層95分隔。第一磁化強(qiáng)度和第二磁化強(qiáng)度大小不等，彼此反平行。在此例中，第二鐵磁子層93比第一鐵磁子層91厚，因此第二磁化強(qiáng)度比第一磁化強(qiáng)度具有更大的量值。
反鐵磁層95耦合第一鐵磁子層91和第二鐵磁子層93。第一磁化強(qiáng)度和第二磁化強(qiáng)度平行于MTJ 37的易軸取向，即平行于x軸。因此，在x方向SAF具有小的凈磁化強(qiáng)度。固定層85具有相對高的矯頑力。
釘扎層87包括反鐵磁材料。釘扎層87使固定層85的磁化強(qiáng)度固定(pin)，以在施加磁場或轉(zhuǎn)換電流時(shí)阻止固定層85磁化強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換。
當(dāng)自由層83的磁化強(qiáng)度平行于固定層85第一鐵磁子層91的磁化強(qiáng)度時(shí)，MTJ 37具有相對低的磁阻。當(dāng)自由層83的磁化強(qiáng)度反平行于固定層85第一鐵磁子層91的磁化強(qiáng)度時(shí)，MTJ 37具有相對高的磁阻。
在此例中，覆蓋層82由非磁性材料構(gòu)成，例如銅(Cu)或鉭(Ta)，厚度約為10nm。在另一示例中，覆蓋層82由兩層鉭構(gòu)成，每層具有5nm的厚度，通過厚度10nm的銅層分隔，即Ta(5nm)/Cu(10nm)/Ta(5nm)。
在此例中，自由層83由硼鐵化鈷(CoFeB)構(gòu)成，厚度約為3nm。
在此例中，隧道勢壘層84由氧化鎂(MgO)構(gòu)成。但是，也可以使用其他介電材料，諸如氧化鋁(AlOx)、二氧化硅(SiO2)和氮化鋁(AlN)。在此例中，隧道勢壘層84厚度約為2nm。在其他示例中，隧道勢壘層84的厚度可以在1nm到2nm的范圍內(nèi)。
第一鐵磁子層91由硼鐵化鈷(CoFeB)構(gòu)成，厚度約為4nm。耦合層95由銣(Ru)構(gòu)成，厚度約為0.8nm。第二鐵磁子層93由鐵化鈷(CoFe)構(gòu)成，厚度約為6nm。
在此例中，釘扎層包括錳化鉑(PtMn)，厚度約為15nm。優(yōu)選PtMn是因?yàn)樗哂懈咦钃鯗囟群透呓粨Q偏置場，這改善了MTJ 37的熱穩(wěn)定性。但是，也可以使用其他反鐵磁材料，諸如錳化銥(IrMn)，錳化鎳(NiMn)，錳化鈀(PdMn)。
緩沖層89至少由一個(gè)非磁性導(dǎo)電層構(gòu)成，厚度在10nm和20nm之間。例如，緩沖層89可以包括兩鉭層和鎳鐵覆層，每層鉭層具有5nm的厚度、通過厚度10nm的銅層分隔，和鎳鐵覆層的厚度5nm、通過一個(gè)鉭層與銅層分隔，即Ta(5nm)/Cu(10nm)/Ta(5nm)/NiFe(5nm)。或者，兩鉭層可以通過厚度10nm的金層分隔，即Ta(5nm)/Au(10nm)/n(5nm)/NiFe(5nm)。在另一示例中，緩沖層89可以由厚度5nm的鉭層和厚度5nm的鎳鐵層構(gòu)成，即Ta(5nm)/NiFe(5nm)。在以上例子中，鎳鐵層是釘扎層87的種(seed)層。
x-y平面內(nèi)MTJ 37的橢圓截面的長軸和短軸分別具有99nm和66nm的尺寸。
對于以上所述的MTJ 37，相對高阻態(tài)和相對低阻態(tài)的磁阻比值可以接近3∶1。這可提供具有高信噪比的MRAM。
參考圖5，示出了存儲器陣列的控制電路。
存儲器陣列的每個(gè)行都設(shè)置寫驅(qū)動(dòng)器67和傳感放大器68。每個(gè)比特線31都與相應(yīng)寫驅(qū)動(dòng)器67的第一輸出69連接。每個(gè)傳感線49都與相應(yīng)寫驅(qū)動(dòng)器67的第二輸出70連接。每個(gè)比特線31還與相應(yīng)傳感放大器68的第一輸入/輸出端口71連接。
傳感放大器68的第二輸出和相應(yīng)寫驅(qū)動(dòng)器67的第一輸入之間設(shè)置連接72。
寫驅(qū)動(dòng)器67具有第二輸入73，用于施加寫放大器使能(WAE)電壓。
傳感放大器68具有第二輸入74，用于接收傳感放大器使能(SAE)電壓。傳感放大器68具有第三輸入/輸出端口75，用于施加傳感放大器輸入/輸出(SAIO)電壓。
設(shè)置單獨(dú)的字符線驅(qū)動(dòng)器80。每個(gè)字符線53與相應(yīng)的字符線驅(qū)動(dòng)器80的輸出連接。
每個(gè)MTJ 37將比特線31通過單獨(dú)的隔離晶體管81與相同行的傳感線49連接。隔離晶體管81的基極與單獨(dú)的字符線53連接。當(dāng)施加偏壓至限定MTJ 37列的字符線53，和施加偏壓至限定MTJ 37行的比特線31或傳感線49時(shí)，電流將流過MTJ 37。以此方式，每個(gè)MTJ可以通過單獨(dú)的字符線53和單獨(dú)的比特線31或傳感線49尋址。
參考圖4，5和6，現(xiàn)將描述存儲器陣列中存儲器單元66的讀和寫操作。
圖6示出了在讀取周期施加并在存儲器陣列中測量的偏壓。
第一曲線101是字符線偏壓相對時(shí)間的曲線。第二曲線103是施加到傳感放大器68的第二輸入74的傳感放大器使能(SAE)偏壓相對時(shí)間的曲線。第三曲線1051和第四曲線1052分別是自由層83磁化強(qiáng)度和固定層85磁化強(qiáng)度平行時(shí)，比特線31的響應(yīng)電壓相對時(shí)間的曲線和傳感放大器輸入/輸出(SAIO)偏壓相對時(shí)間的曲線。第五曲線1071和第六曲線1072分別是自由層83磁化強(qiáng)度和固定層85磁化強(qiáng)度反平行時(shí)，比特線31的響應(yīng)電壓相對時(shí)間的曲線和SAIO偏壓相對時(shí)間的曲線。
如第一曲線101所示，在時(shí)間tR1通過字符線驅(qū)動(dòng)器80向?qū)?yīng)存儲器單元66列的字符線(WL)53施加偏壓VW。VW可以在1V到3V的范圍內(nèi)。這將導(dǎo)通陣列的列中的隔離晶體管81。
如第三曲線1051和第五曲線1071所示，在時(shí)間tR2通過寫驅(qū)動(dòng)器67向?qū)?yīng)存儲器單元的行的比特線(BL)31施加偏壓VB。在此例中，VB大約為0.4V。對應(yīng)存儲器單元的行的傳感線(SL)49保持接地電壓。在時(shí)間tR3去除偏壓VB。
如第三曲線1051所示，在此例中，比特線31的響應(yīng)電壓在大約1ns內(nèi)降低為接地電壓。這是因?yàn)?，?dāng)自由層83磁化強(qiáng)度和固定層85磁化強(qiáng)度平行時(shí)，MTJ 37的磁阻(以及因此測量的電壓響應(yīng))相對低，因此電壓響應(yīng)相對快。
如第五曲線1071所示，在此例中，比特線31的響應(yīng)電壓在大約2ns到3ns內(nèi)降低為地電壓。這是因?yàn)椋?dāng)自由層83磁化強(qiáng)度和固定層85磁化強(qiáng)度反平行時(shí)，MTJ 37的磁阻(以及因此測量的電壓響應(yīng))相對高，因此電壓響應(yīng)相對慢。
如第二曲線103所示，在之后的時(shí)間tR4向?qū)?yīng)存儲器單元66的行的傳感放大器68施加SAE偏壓。當(dāng)傳感放大器68被啟用后，它感知是否比特線31的響應(yīng)電壓低于參考電壓Vref。Vref可以約為VB的一半。在此例中，Vref是0.2V。
如第三曲線1051所示，當(dāng)自由層83磁化強(qiáng)度和固定層85磁化強(qiáng)度平行時(shí)，至?xí)r間tR4，比特線31的響應(yīng)電壓已經(jīng)下降低于Vref。這由傳感放大器68檢測。因此，傳感放大器68第三輸入/輸出端口75的傳感放大器輸入/輸出(SAIO)置為低。
如第五曲線1071所示，當(dāng)自由層83磁化強(qiáng)度和固定層85磁化強(qiáng)度反平行時(shí)，至?xí)r間tR4，比特線31的響應(yīng)電壓沒有下降至低于Vref。這由傳感放大器68檢測。因此，傳感放大器68第三輸入/輸出端口75的SAIO置為高。
在時(shí)間tR5，去除SAE偏壓。在時(shí)間tR6，去除WL偏壓。
在此例中，時(shí)間tR1為1ns，tR2為2.5ns，tR3為3.5ns，tR4為7.5ns，tR5為9ns，tR6為10ns。
以此方式，自由層83的磁化強(qiáng)度方向確定了傳感放大器68第三輸入/輸出端口的輸出。如果自由層83平行于固定層85，傳感放大器68的輸出為“0”。如果自由層83反平行于固定層85，傳感放大器68的輸出為“1”。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明在寫入周期施加到存儲器陣列的偏壓。
第七曲線111是字符線(WL)偏壓相對時(shí)間的曲線。第八曲線113是寫放大器使能(WAE)偏壓相對時(shí)間的曲線。第九曲線115和第十曲線117分別是自由層83的磁化強(qiáng)度由反平行于固定層85磁化強(qiáng)度轉(zhuǎn)換到平行于固定層85磁化強(qiáng)度(AP至P轉(zhuǎn)換)時(shí)，施加至存儲器單元66的SAIO偏壓相對時(shí)間的曲線和施加至比特線(BL)和傳感線(SL)的偏壓相對時(shí)間的曲線。第十一曲線119和第十二曲線121分別是自由層83的磁化強(qiáng)度由平行于固定層85磁化強(qiáng)度轉(zhuǎn)換到反平行于固定層85磁化強(qiáng)度(P至AP轉(zhuǎn)換)時(shí)，施加至存儲器單元66的SAIO偏壓對時(shí)間的曲線和施加至比特線(BL)和傳感線(SL)的偏壓相對時(shí)間的曲線。
參考第七曲線111，為了向存儲器單元66寫入數(shù)據(jù)，在時(shí)間tW1通過字符線驅(qū)動(dòng)器80向?qū)?yīng)存儲器單元66列的字符線53施加WL偏壓VW。VW可以在1V到3V的范圍內(nèi)。這將導(dǎo)通陣列的列中的隔離晶體管81。
在時(shí)間tW1向?qū)?yīng)存儲器單元66行的傳感放大器68第三輸入/輸出端口75施加SAIO偏壓。如第九曲線115所示，對于AP至P轉(zhuǎn)換，SAIO偏壓保持接地電壓。如第十一曲線119所示，對于P至AP轉(zhuǎn)換，SAIO偏壓保持在VS。連接72將該信號由傳感放大器68的第二輸出傳送至寫驅(qū)動(dòng)器67的第一輸入。
參照第八曲線113，在時(shí)間tW2向?qū)?yīng)存儲器單元66行的寫驅(qū)動(dòng)器67施加WAE偏壓。這使寫驅(qū)動(dòng)器67能夠依據(jù)傳感放大器68的輸出SAIO，施加偏壓至比特線31或者傳感線49。
參照第十曲線117，當(dāng)SAIO保持接地電壓時(shí)，在時(shí)間tW2，寫驅(qū)動(dòng)器67向比特線31施加預(yù)充電偏壓VP1，傳感線49保持接地電壓。因此，寫驅(qū)動(dòng)器67驅(qū)動(dòng)電流由傳感線49流向比特線31。VP1可以為R1·Ic0的0.5至1倍之間，其中R1是MTJ 37AP狀態(tài)的阻抗，Ic0是DC閾值電流。
在時(shí)間tW4，施加至比特線31的偏壓增加到VB1。VB1足夠大可以引起STT轉(zhuǎn)換。VB1的值可以通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)找出。典型地，VB1的值為不施加預(yù)充電偏壓VP1時(shí)相同脈沖時(shí)間內(nèi)引起STT轉(zhuǎn)換所需偏壓的0.3至0.5倍。
參照第十二曲線121，當(dāng)SAIO保持在VS時(shí)，在時(shí)間tW2，寫驅(qū)動(dòng)器67向傳感線49施加預(yù)充電偏壓VP2，比特線31保持接地電壓。因此，寫驅(qū)動(dòng)器67驅(qū)動(dòng)電流由比特線31流向傳感線49。VP2可以為R2·Ic0的0.5至1倍之間，其中R2是MTJ 37在P狀態(tài)的阻抗，Ic0是DC閾值電流。
在時(shí)間tW4，施加至比特線31的偏壓增加到VB2。VB2足夠大可以引起STT轉(zhuǎn)換。VB2的值可以通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)找出。典型地，VB2的值為不施加預(yù)充電偏壓VP2時(shí)相同脈沖時(shí)間內(nèi)引起STT轉(zhuǎn)換所需偏壓的0.3至0.5倍。
在時(shí)間tW10，去除BL或SL偏壓。在時(shí)間tW11，去除WL偏壓。
較佳地，時(shí)間tW1為1ns，tW2為2ns，tW3為3.535ns，tW4為4ns，tW5為4.2ns，tW6為4.23ns，tW7為4.885ns，tW8為5.07ns，tW9為5.285ns，tW10為5.7ns，tW11為5.9ns。
圖8是P至AP轉(zhuǎn)換時(shí)在寫入周期通過MTJ 37的電流IMTJ的第十二曲線125?，F(xiàn)有技術(shù)寫入周期使用的電流的第十三曲線127示出作比較。
參考圖9A至9F，示出了P至AP轉(zhuǎn)換時(shí)在寫入周期自由層83內(nèi)的磁化強(qiáng)度的仿真。在圖9A至9F中，繪出了自由層83的3nm×3nm區(qū)域內(nèi)的代表磁化強(qiáng)度129。
參考圖8和圖9A，在時(shí)間tW1，電流IMTJ為零，自由層83具有初始磁化強(qiáng)度配置，其中磁化強(qiáng)度129全部沿相同方向取向并平行于固定層85的磁化強(qiáng)度(圖4)。
參考圖4和圖8，在時(shí)間tW2，驅(qū)動(dòng)預(yù)充電電流IP由傳感線49(圖5)流向比特線31(圖5)。因此，電流由固定層85流向自由層83，且垂直于固定層85和自由層83的平面，電子由自由層83流向固定層85。這導(dǎo)致自旋極化電子將由固定層85散射回并注入自由層83。
電流IP等于STT轉(zhuǎn)換的DC閾值電流。在此例中，DC閾值電流約為1mA。如上所述，在納秒時(shí)段引起STT轉(zhuǎn)換所需的電流遠(yuǎn)大于DC閾值電流。因此，IP不夠大以引起STT轉(zhuǎn)換。但是，電流IP在自由層83中感生出安培場。
參考圖9B，在時(shí)間tW3，自由層83中的安培場Hp形成第一中間磁化強(qiáng)度配置。安培場Hp在自由層83中感應(yīng)出C形彎曲磁化強(qiáng)度129，導(dǎo)致C形疇(domain)結(jié)構(gòu)。在C形疇結(jié)構(gòu)中，沿自由層83短軸L1的磁化強(qiáng)度129保持平行于初始磁化強(qiáng)度配置中它們的方向。短軸L1第一側(cè)131(限定為左側(cè))的磁化強(qiáng)度129順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，距離中心線越遠(yuǎn)旋轉(zhuǎn)越多。短軸L1第二側(cè)133(限定為右側(cè))的磁化強(qiáng)度129逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，也是距離短軸L1越遠(yuǎn)旋轉(zhuǎn)越大。這形成以“C”形取向的磁化強(qiáng)度129。
C形疇結(jié)構(gòu)激勵(lì)自由層83中的磁化進(jìn)動(dòng)。因此，自由層83的磁化強(qiáng)度129在初始磁化強(qiáng)度配置，例如圖9A所示，和第一中間磁化強(qiáng)度配置的自由層83磁化強(qiáng)度129，例如圖9B所示，之間振蕩。振蕩頻率等級為1GHz。
參考圖8，在時(shí)間tW4，電流IMTJ增加，且該電流在時(shí)間tW5達(dá)到IB。在此例中，IB為3mA。
參考圖9C，示出了時(shí)間tW6的第二中間磁化強(qiáng)度配置。增加的安培場HB放大了C形彎曲，左側(cè)131的磁化強(qiáng)度129進(jìn)一步順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而右側(cè)133的磁化強(qiáng)度129進(jìn)一步逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在時(shí)間tW5，自由層83的磁化強(qiáng)度129仍然在圖9C所示磁化強(qiáng)度129和圖9A所示磁化強(qiáng)度129之間振蕩。
參考圖9D，示出了時(shí)間tW7的第三中間磁化強(qiáng)度配置。C形疇結(jié)構(gòu)的對稱破壞了。
參考圖9E，示出了時(shí)間tW8的第四中間磁化強(qiáng)度配置。C形彎曲結(jié)構(gòu)已經(jīng)不存在，代之的是更加復(fù)雜的疇結(jié)構(gòu)。整個(gè)自由層83的凈磁化強(qiáng)度由例如圖9A所示的初始磁化強(qiáng)度配置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
參考圖9F，示出了時(shí)間tW9的最終磁化強(qiáng)度配置。大多數(shù)磁化強(qiáng)度129反平行于它們在初始磁化強(qiáng)度配置下的方向取向，即反平行于固定層85。在時(shí)間tW8，自由層83的磁化強(qiáng)度129不再振蕩。
在時(shí)間tW9和時(shí)間tW10之間，電流IMTJ降至零。
對于AP至P轉(zhuǎn)換，施加相同的電流脈沖，但是電流沿相反方向流動(dòng)。因此，電流由自由層83流向固定層85。這導(dǎo)致電子由固定層85流向自由層83。驅(qū)動(dòng)通過固定層85的電子被自旋極化且注入自由層83。
在AP至P轉(zhuǎn)換中，可以施加較低的電流。這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)電子通過固定層85并直接將其注入自由層83比從固定層85散射電子然后注入自由層83更有效。對于AP至P轉(zhuǎn)換，在此例中，IP為0.4mA，IB為1.2mA。
參考圖8，典型的現(xiàn)有技術(shù)寫入周期包括將電流127升為值IPR，保持電流在該值持續(xù)給定時(shí)間，然后將電流127降至零。如圖8所示，當(dāng)施加預(yù)充電電流時(shí)引起STT轉(zhuǎn)換需要的電流IB遠(yuǎn)小于均勻電流脈沖127所需要的電流IPR。這是因?yàn)镃形疇結(jié)構(gòu)激勵(lì)了自由層83的磁化進(jìn)動(dòng)。使用上述方法引起STT轉(zhuǎn)換需要的電流IB可以低至使用均勻電流脈沖引起STT轉(zhuǎn)換需要的電流IPR的30％到40％。
參考圖10A和10B，分別示出了有充電電流和沒有充電電流的STT轉(zhuǎn)換的仿真結(jié)果。這是0K溫度下的STT轉(zhuǎn)換模擬。該模擬結(jié)果示出了STT轉(zhuǎn)換需要的歸一化電流I/Ic0-1下對脈沖持續(xù)時(shí)間倒數(shù)tp-1的關(guān)系。
具體參考圖10A，對于AP至P轉(zhuǎn)換，當(dāng)持續(xù)時(shí)間2ns、大小為DC閾值的預(yù)充電電流脈沖通過MTJ時(shí)，對于給定脈沖持續(xù)時(shí)間的轉(zhuǎn)換電流129可以比不使用預(yù)充電電流脈沖時(shí)的轉(zhuǎn)換電流131小最高30％。
具體參考圖10B，對于P至AP轉(zhuǎn)換，當(dāng)持續(xù)時(shí)間2ns、大小為DC閾值的預(yù)充電電流脈沖通過MTJ時(shí)，對于給定脈沖持續(xù)時(shí)間的轉(zhuǎn)換電流133也可以比不使用預(yù)充電電流脈沖時(shí)的轉(zhuǎn)換電流135小最高30％。
另外，使用充電電流顯著地降低了納秒時(shí)段的概率分布。因此，MRAM的寫電流范圍(margin)擴(kuò)大了。
裝置制造參考圖11A至11G，將描述圖3A至3D所示存儲器陣列的制造方法。圖11A，11C，11E和11G示出了沿B-B’線作的圖3A所示存儲器陣列在制造工藝各階段的截面圖。圖11B，11D，11F和11H示出了沿C-C’線作的圖3A所示存儲器陣列在制造工藝各階段的截面圖。
首先參考圖11A和11B，使用STI蝕刻工藝形成硅襯底45中的淺溝槽47，其中填滿了介電材料。不包括STI區(qū)的襯底區(qū)域限定了有源區(qū)43。
柵絕緣層53a和字符線53順序?qū)盈B，形成襯底和STI區(qū)上的柵疊層。柵疊層側(cè)壁和頂部上形成柵間隔53b。雜質(zhì)離子注入到襯底45中形成隔離晶體管的源極區(qū)61和漏極區(qū)63。
現(xiàn)在參考圖11C和11D，在整個(gè)襯底表面上形成第一絕緣矩陣55。第一絕緣矩陣55被連續(xù)圖案化和被蝕刻以開放通孔51，暴露每個(gè)漏極區(qū)63的一部分。然后，在襯底上形成一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層并填充通孔51。然后，典型地使用研磨(planarisation)工藝，去除導(dǎo)電層的上部，以去除形成在通孔51內(nèi)以外的全部導(dǎo)電層，暴露第一絕緣矩陣55的上表面。
然后，在第一絕緣矩陣55上形成另一層導(dǎo)電層。該導(dǎo)電層被圖案化然后被蝕刻形成傳感線49，傳感線49垂直于字符線延伸并與通孔51中的導(dǎo)電層接觸。然后，在該結(jié)構(gòu)上形成第二絕緣矩陣50。通過與以上關(guān)于通孔51所述類似的形式，在第一絕緣矩陣和第二絕緣矩陣中形成通孔41，接觸每個(gè)源極區(qū)61的表面。
現(xiàn)在參考圖11E和11F，在襯底上形成導(dǎo)電層。然后，圖案化和蝕刻該導(dǎo)電層形成接觸通孔41的底部電極39。
然后，根據(jù)以下步驟制造MTJ 37。
順序沉積緩沖層89和反鐵磁釘扎層87。通過加熱和施加外部磁場設(shè)置釘扎層87的磁化強(qiáng)度，這將在釘扎層87冷卻之后繼續(xù)保持。之后，在釘扎層87上順序沉積第一鐵磁子層91，反鐵磁耦合層95和第二鐵磁子層93。
然后，沉積勢壘材料。這可以通過r-f濺射該材料，或者沉積鎂(magnesium)然后通過諸如等離子氧化等工藝氧化鎂來實(shí)現(xiàn)。
然后，沉積鐵磁自由層83。在鐵磁自由層83上沉積覆蓋層82。
然后，將形成的疊層圖案化為多個(gè)單元以形成MTJ 37?？梢酝ㄟ^在保護(hù)覆蓋層上沉積一層光刻膠，使用光刻圖案化光刻膠，然后去除未被保護(hù)的材料來進(jìn)行圖案化。
現(xiàn)在參考圖11G和11H，然后在包括MTJ 37的襯底的上表面上形成第三絕緣矩陣123。該第三絕緣矩陣123被圖案化形成比特線接觸孔125，暴露覆蓋層82的表面。之后在襯底上和比特線接觸孔125中形成導(dǎo)電層。然后，圖案化和蝕刻該導(dǎo)電層形成覆蓋比特線接觸孔125并平行于傳感線49的比特線31。
在以上所述的制造工藝中，可以使用本領(lǐng)域熟知的方法形成導(dǎo)電層，諸如化學(xué)汽相沉積，物理汽相沉積，等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積，或者濺射等。
第二實(shí)施例裝置設(shè)計(jì)參照圖12A至12C，示出了存儲器陣列的第二實(shí)施例。該存儲器陣列為MRAM。
具體參照圖12A，在第一方向設(shè)置多個(gè)比特線201，此處限定為x軸。比特線201定義了陣列的第一維度，在此例中為陣列的行。
設(shè)置多個(gè)MTJ 207。MTJ 207具有與以上參照第一實(shí)施例描述的MTJ 37相同的結(jié)構(gòu)。使易磁化軸平行于比特線201，即平行于x軸，來設(shè)置MTJ 207。
具體參照圖12B，每個(gè)MTJ 207連接至比特線201的下側(cè)。因此，MTJ 207與輔助電流線203電絕緣。
具體參照圖12A，每個(gè)MTJ 207連接至底部電極209。底部電極209在x-y平面內(nèi)為矩形形狀，具有長邊和短邊。底部電極209的長邊和短邊大約與MTJ 207的長軸和短軸具有相同尺寸。
具體參照圖12B，通孔211將每個(gè)底部電極209連接到襯底215的有源區(qū)213。
襯底215上有源區(qū)213通過STI區(qū)216相互隔離。
具體參照圖12B，傳感線217在每個(gè)比特線之下延伸。傳感線217不與比特線201、MTJ或者底部電極209接觸。通孔219將傳感線217與有源區(qū)213相連接。
具體參照圖12A，每個(gè)傳感線217的邊與邊關(guān)于一縱軸相互交織。該縱軸平行于x軸。每個(gè)有源區(qū)213的邊與邊也關(guān)于一平行于x軸的縱軸相互交織。
傳感線217的交織節(jié)奏與有源區(qū)213的交織節(jié)奏相同。該交織為180°反相以使傳感線217的交織與有源層213的交織一致并在通孔219接觸。
在傳感線217與有源層213彼此相距最遠(yuǎn)處，設(shè)置連接底部電極209與有源區(qū)213的通孔211。因此，傳感線217相距連接底部電極209與有源區(qū)213的通孔211一定間隔。
具體參照圖12C，在襯底215上設(shè)置多個(gè)字符線221，二者通過柵氧化物221a相互隔離。字符線221垂直于比特線201。字符線221排列在第二方向，此處限定為y軸。字符線221通過絕緣矩陣223與傳感線隔離。每個(gè)字符線221都設(shè)置在連接傳感線217與有源區(qū)213的通孔219和連接底部電極209與有源區(qū)213的通孔211之間。
字符線221定義陣列的第二維度，在此例中為陣列的列。每個(gè)MTJ 207都設(shè)置兩條字符線221。因此，陣列的每列由位于MTJ 207一列任一側(cè)的兩個(gè)字符線221定義。
具體參考圖12C，源極區(qū)227設(shè)置在有源區(qū)213中，位于每個(gè)連接底部電極209與有源區(qū)213的通孔211之下。漏極區(qū)229設(shè)置在有源區(qū)213中，位于每個(gè)連接傳感線217與有源區(qū)213的通孔219之下。每個(gè)源極區(qū)227和漏極區(qū)229通過兩區(qū)之間的字符線221導(dǎo)電。因此，所述字符線221作為隔離晶體管233的柵極231。
每個(gè)MTJ 207提供兩個(gè)晶體管233，因此每個(gè)存儲器單元235由一個(gè)MTJ207和兩個(gè)晶體管233定義。每個(gè)晶體管233的漏極區(qū)229在相鄰存儲器單元235之間共享。每個(gè)存儲器單元235的面積為8F2。
存儲器陣列的特征尺寸F在50nm和100nm之間。
參考圖13，示出了存儲器陣列的控制電路。
存儲器陣列的每行都設(shè)置寫驅(qū)動(dòng)器236和傳感放大器237。每個(gè)比特線201連接至相應(yīng)寫驅(qū)動(dòng)器236的第一輸出238。每個(gè)傳感線217連接至相應(yīng)寫驅(qū)動(dòng)器237的第二輸出239。每個(gè)比特線201還連接至相應(yīng)傳感放大器237的第一輸入/輸出端口240。
連接241設(shè)置在傳感放大器237的第二輸出和相應(yīng)寫驅(qū)動(dòng)器236的第一輸入之間。
寫驅(qū)動(dòng)器236具有第二輸入242，用于施加寫放大器使能(WAE)電壓。
傳感放大器237具有第二輸入243，用于施加傳感放大器使能(SAE)電壓。傳感放大器237具有第三輸入/輸出端口244，用于施加傳感放大器輸入/輸出(SAIO)電壓。
提供了單一的字符線驅(qū)動(dòng)器245。每個(gè)字符線221與字符線驅(qū)動(dòng)器245的相應(yīng)輸出相連接。
每個(gè)MTJ 207通過MTJ 207任一側(cè)的兩個(gè)隔離晶體管233中的一個(gè)將比特線201與相同行的傳感線217連接。每個(gè)隔離晶體管233的基極連接至單個(gè)字符線221。當(dāng)施加偏壓至限定存儲器單元235列的兩個(gè)字符線221，和施加偏壓至限定MTJ 207行的比特線201或者傳感線203時(shí)，電流將流過MTJ207。以此方式，每個(gè)MTJ 207可以通過兩個(gè)字符線221，和單個(gè)比特線201或者傳感線217尋址。
通過兩個(gè)字符線221尋址每個(gè)MTJ 207減少了通過隔離晶體管233的電流。這是有利的，因?yàn)楦綦x晶體管233的最大通過電流設(shè)置了可以用在STT轉(zhuǎn)換中的電流的上限。
裝置工作圖12A至12C所示的存儲器單元的讀和寫與之前相對圖3A至圖3D所示存儲器單元描述的一樣。
裝置制造圖12A至12C所示的存儲器單元的制造工藝步驟與之前相對圖3A至圖3D所示存儲器單元描述的一樣。
替代MTJ結(jié)構(gòu)參考圖14，示出了通過x-z平面所作的替代MTJ 247的截面。MTJ 247可以替代第一實(shí)施例的MTJ 37或者第二實(shí)施例的MTJ 207使用。
MTJ 247包括一系列層，包括自由層249，隧道勢壘層251，和固定(pinned)層253。在此例中，自由層距離襯底最遠(yuǎn)，固定層距離襯底最近。
自由層249包括鐵磁材料。自由層249具有相對低的矯頑力，在施加轉(zhuǎn)換電流或磁場時(shí)可以被轉(zhuǎn)換。
隧道勢壘層251由絕緣材料構(gòu)成，諸如氧化鎂(MgO)，并且足夠薄使電子可以隧穿。
固定層253包括鐵磁材料。固定層253比自由層249厚。這給它提供了比自由層249更高的矯頑力。因此，自由層249能夠在施加轉(zhuǎn)換電流和輔助磁場時(shí)轉(zhuǎn)換，固定層253不能在施加轉(zhuǎn)換電流和輔助磁場時(shí)轉(zhuǎn)換。
參考圖15，示出了另一替代MTJ 255的x-z平面的截面。MTJ 255也可以替代第一實(shí)施例的MTJ 37或者第二實(shí)施例的MTJ 207使用。
MTJ 255包括一系列層，包括自由層257，隧道勢壘層259，固定(pinned)層261，和釘扎(pinning)層263。在此例中，自由層距離襯底最遠(yuǎn)，釘扎層距離襯底最近。
自由層257包括鐵磁材料。自由層257具有相對低的矯頑力，在施加轉(zhuǎn)換電流或磁場時(shí)可以被轉(zhuǎn)換。
隧道勢壘層259由絕緣材料構(gòu)成，諸如氧化鎂(MgO)，并且足夠薄使電子可以隧穿。
固定層261包括鐵磁材料。固定層261具有相對高的矯頑力，在施加轉(zhuǎn)換電流或磁場時(shí)不可以被轉(zhuǎn)換。
釘扎層263包括反鐵磁材料。釘扎層263使固定層261的磁化強(qiáng)度固定(pin)，以在施加磁場或轉(zhuǎn)換電流時(shí)阻止固定層261磁化強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換。
替代MTJ 247，255相比于第一實(shí)施例使用的MTJ 37和第二實(shí)施例使用的MTJ 207具有更簡單的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。因此，替代MTJ 247，255制造更簡單。但是，替代MTJ 247，255不表現(xiàn)出如MTJ 37和MTJ 207那樣高的磁阻率。
在另一示例(未示出)中，MTJ設(shè)置有另外的鐵磁層覆蓋在自由層上。該另外的鐵磁層通過非磁性導(dǎo)體與上述鐵磁層隔離。在電流由固定層流向自由層時(shí)，該另外的鐵磁層可以增加自旋極化電子注入到自由層的比例。
在又一示例(未示出)中，替代MTJ設(shè)置自旋閥。自旋閥包括一系列層，包括通過非磁性導(dǎo)體隔離的鐵磁自由層和鐵磁固定層。
應(yīng)當(dāng)理解對以上所述實(shí)施例可以作許多修改。
例如，電流脈沖預(yù)充電部分的持續(xù)時(shí)間和值可以依據(jù)MTJ的組成調(diào)整。所需電流脈沖預(yù)充電部分的持續(xù)時(shí)間與自由層的吉爾伯特阻尼常數(shù)(Gilbertdamping constant)相關(guān)。
另外，MTJ相對比特線和傳感線的取向可以變化。
MTJ的尺寸(dimension)也可以變化。但是，具有橢圓截面的MTJ因?yàn)榇判螤罡飨虍愋远哂懈纳频臒岱€(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種寫入磁性存儲裝置的方法，該磁性存儲裝置包括第一(31；201)和第二(49；217)引腳，和所述引腳之間設(shè)置的磁阻多層結(jié)構(gòu)(37；207；247；255)，所述多層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出相對較高的第一阻態(tài)和相對較低的第二阻態(tài)，該多層結(jié)構(gòu)響應(yīng)于給定持續(xù)時(shí)間和量值的脈沖可由第一態(tài)切換至第二態(tài)，該脈沖量值為一電流閾值，該電流閾值是切換該多層結(jié)構(gòu)所需的最小電流值且其基于該脈沖的持續(xù)時(shí)間，所述方法包括將小于閾值電流值的第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)；和增加通過該多層結(jié)構(gòu)的電流，從而通過小于所述閾值電流值的較高量值的第二電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將電流通過該多層結(jié)構(gòu)(37；207；247；255)包括將小于所述閾值電流值的第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)，其持續(xù)時(shí)間小于給定持續(xù)時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將電流通過該多層結(jié)構(gòu)(37；207；247；255)包括將所述閾值電流值0.1至0.5倍之間的第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)(37；207；247；255)包括將電流通過該多層結(jié)構(gòu)，其持續(xù)時(shí)間為給定持續(xù)時(shí)間的0.1至0.4倍之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中該給定持續(xù)時(shí)間小于10ns。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)(37；207；247；255)包括在持續(xù)時(shí)間內(nèi)以固定強(qiáng)度將電流通過該多層結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將電流通過該多層結(jié)構(gòu)(37；207；247；255)包括將小于或等于DC閾值電流的第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)，該DC閾值電流為切換該多層結(jié)構(gòu)需要的最小DC電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將電流通過該多層結(jié)構(gòu)(37；207；247；255)包括將小于所述閾值電流值的第一量值的電流通過該多層結(jié)構(gòu)，其持續(xù)時(shí)間在1ns和2ns之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中增加電流包括增加電流至所述閾值0.3至0.5倍之間的第二量值。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中增加電流包括增加電流至預(yù)定的強(qiáng)度，并在小于給定持續(xù)時(shí)間的一周期內(nèi)將電流保持在該強(qiáng)度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中增加電流包括增加電流至預(yù)定的強(qiáng)度，并在處于給定持續(xù)時(shí)間的0.1至0.4倍之間的一周期內(nèi)將電流保持在該強(qiáng)度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中該給定持續(xù)時(shí)間小于10ns。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中增加電流包括增加電流至預(yù)定的強(qiáng)度，并保持電流在固定的強(qiáng)度上。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將電流從基準(zhǔn)電流強(qiáng)度升為預(yù)定電流強(qiáng)度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將電流從零電流強(qiáng)度升為預(yù)定電流強(qiáng)度。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將電流從預(yù)定電流強(qiáng)度升為量值較高的第二電流強(qiáng)度。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將電流從量值較高的第二電流強(qiáng)度降為較低電流強(qiáng)度。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括將電流從量值較高的第二電流強(qiáng)度降為基準(zhǔn)強(qiáng)度。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該切換多層結(jié)構(gòu)需要的電流閾值I是I＝Ic0(1+C·tp-1)其中Ic0是DC閾值電流，為切換多層結(jié)構(gòu)需要的最小DC電流，C是常數(shù)，tp是脈沖的持續(xù)時(shí)間。
20.一種存儲器，其包括磁性存儲裝置，其包括第一(31；201)和第二(49；217)引腳；所述引腳之間設(shè)置的磁阻多層結(jié)構(gòu)(37；207；247；255)，所述多層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出相對較高的第一阻態(tài)和相對較低的第二阻態(tài)，該多層結(jié)構(gòu)響應(yīng)于給定持續(xù)時(shí)間和量值的脈沖可由第一態(tài)切換至第二態(tài)，該脈沖量值為一電流閾值，該電流閾值是切換該多層結(jié)構(gòu)所需的最小電流值且其基于該脈沖的持續(xù)時(shí)間；和控制該磁性存儲裝置的電路，其配置成執(zhí)行前述任一權(quán)利要求的方法。
全文摘要
一種磁性存儲裝置包括磁隧道結(jié)(MTJ)，具有鐵磁自由層，表現(xiàn)出第一相對較高的阻態(tài)和第二相對較低的阻態(tài)。為了寫入磁性存儲裝置，驅(qū)動(dòng)電流I
文檔編號G11C11/15GK101067967SQ20061014705
公開日2007年11月7日 申請日期2006年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月4日
發(fā)明者伊藤顯知, 高橋宏昌, 河原尊之, 竹村理一郎 申請人:株式會社日立制作所