專利名稱：低功率mram存儲(chǔ)器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
技術(shù)領(lǐng)域是用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。尤其，技術(shù)領(lǐng)域是具有降低的功率要求的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器陣列。
背景技術(shù)：
磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)是用于長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的非易失性存儲(chǔ)器類型。從MRAM器件存取數(shù)據(jù)比從傳統(tǒng)長(zhǎng)期存儲(chǔ)器件，如硬盤驅(qū)動(dòng)器存取數(shù)據(jù)快得多。另外，MRAM是致密的，并且與硬盤驅(qū)動(dòng)器和其他傳統(tǒng)長(zhǎng)期存儲(chǔ)器件相比，耗費(fèi)更小的功率。
典型的MRAM器件包括存儲(chǔ)器件單元陣列。圖1表示出傳統(tǒng)存儲(chǔ)器件單元陣列10。存儲(chǔ)器單元陣列10包括沿著存儲(chǔ)器單元陣列10的行延伸的字線14和沿著存儲(chǔ)器單元陣列10的列延伸的位線16。存儲(chǔ)器單元12位于每個(gè)字線14和位線16的交叉點(diǎn)上。每個(gè)存儲(chǔ)器單元12存儲(chǔ)一比特信息作為磁化取向。每個(gè)存儲(chǔ)器單元12的磁化取向在任何給定的時(shí)間假設(shè)是兩個(gè)穩(wěn)定取向之一。兩個(gè)穩(wěn)定取向，平行和反平行，代表“1”和“0”的二進(jìn)制邏輯值。
選擇的存儲(chǔ)器單元12的磁化取向通過(guò)向在選擇的存儲(chǔ)器單元12處交叉的字線14和位線16提供電流來(lái)轉(zhuǎn)換。電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)組合時(shí)，把選擇的存儲(chǔ)器單元的磁化取向從平行轉(zhuǎn)換為反平行，或者相反。
傳統(tǒng)存儲(chǔ)器單元12的磁化取向由圖2A和2B表示。參考層24和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層18確定存儲(chǔ)器單元12的磁化取向。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層18的磁化可由在圖2A和2B中在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層18上的箭頭表示的兩個(gè)方向之一上取向。兩個(gè)可能的磁化方向與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層18的“易軸”對(duì)齊。參考層24包括具有固定或“被釘扎”的磁化的磁性材料層(由參考層24上的箭頭表示)。參考層磁化被釘扎在與易軸平行的方向上。提供給在存儲(chǔ)器單元12處交叉的字線14和位線16的電流在圖2A和2B所示的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層18的磁化。由于改變存儲(chǔ)器單元磁化引起的電阻改變可由讀出電流檢測(cè)，以確定存儲(chǔ)器單元12的二進(jìn)制狀態(tài)。
如圖1，2A和2B所示，字線14和位線16是線性的，并且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層18的易軸與字線14平行取向。
圖3表示傳統(tǒng)線性字線14和位線16產(chǎn)生的場(chǎng)，以及存儲(chǔ)器單元12的結(jié)果得到的磁化強(qiáng)度M。以輪廓形式表示出位線16，以便于在圖3中存儲(chǔ)器單元12的磁化強(qiáng)度M是可見(jiàn)的。通過(guò)位線16的電流Iy導(dǎo)致磁場(chǎng)Hx。當(dāng)電流Ix通過(guò)字線14時(shí)產(chǎn)生類似的磁場(chǎng)Hy。磁場(chǎng)Hx和Hy組合來(lái)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器單元12的磁取向。
由于通過(guò)正交電流產(chǎn)生場(chǎng)Hx和Hy，場(chǎng)Hx和Hy產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換場(chǎng)的強(qiáng)度小于Hx+Hy。因此，沒(méi)有全部使用電流Ix和Iy。例如，如果場(chǎng)Hx和Hy大小相等，結(jié)果得到的場(chǎng)離開(kāi)字線14、位線16在45度角度上取向，并且具有大約0.7·(Hx+Hy)的大小。因此為產(chǎn)生需要的轉(zhuǎn)換場(chǎng)，字線和位線的正交關(guān)系導(dǎo)致對(duì)電流Ix和Iy的更高的電流要求。
高的字線和位線電流是不希望的，因?yàn)榇鎯?chǔ)器陣列功耗在MRAM應(yīng)用中是一個(gè)嚴(yán)重的制約因素。高的字線和位線電流要求更大的位線和字線以及寫(xiě)入電流來(lái)處理高的電流。這導(dǎo)致更大更昂貴的MRAM器件。從而，要求降低字線和位線需要的電流。
因此存在一種降低MRAM存儲(chǔ)器陣列的功耗的需要。

發(fā)明內(nèi)容
具有非線性字線和產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)的永磁層的低功率MRAM存儲(chǔ)器陣列滿足上述需求并實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)MRAM器件中未出現(xiàn)的其它優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)第一方面，MRAM存儲(chǔ)器陣列包括存儲(chǔ)器單元陣列；多個(gè)在第一方向延伸的非線性字線；和多個(gè)在第二方向延伸的實(shí)質(zhì)上線性的位線。在多個(gè)存儲(chǔ)器單元位置處字線與位線交叉，并且在存儲(chǔ)器單元位置處放置存儲(chǔ)器單元。
還根據(jù)第一方面，非線性字線部分在y方向上與位線部分共存。由于字線和位線在y方向共存，字線和位線中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在共存部分X方向?qū)R。因此增大了在共存部分的結(jié)果得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度。另外，結(jié)果得到的場(chǎng)與位于共存部分的存儲(chǔ)器單元的易軸更密切地對(duì)齊。將結(jié)果得到的場(chǎng)與易軸對(duì)齊減小了改變存儲(chǔ)器單元的磁化取向所需的場(chǎng)的大小。因此，可使用更小的字線和位線電流來(lái)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器單元的二進(jìn)制狀態(tài)，并降低存儲(chǔ)器陣列的功耗。
根據(jù)第二方面，每個(gè)存儲(chǔ)器單元包括具有橫過(guò)存儲(chǔ)器單元的易軸來(lái)取向的磁化方向的橫向取向磁性層。橫向場(chǎng)改善了存儲(chǔ)器單元轉(zhuǎn)換的可重復(fù)性，并且降低轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器單元所需的字線和位線電流。
而且，根據(jù)第二方面，橫向磁場(chǎng)可在任何時(shí)候施加，從而永磁體可用來(lái)形成橫向取向磁性層。不需要電流來(lái)產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)，進(jìn)一步降低了存儲(chǔ)器陣列的功耗。
聯(lián)系附圖，從下面的詳細(xì)說(shuō)明中，其他方面和優(yōu)點(diǎn)變得明顯。


圖1表示傳統(tǒng)存儲(chǔ)器單元陣列；圖2表示傳統(tǒng)存儲(chǔ)器單元的邏輯狀態(tài)；圖3表示傳統(tǒng)存儲(chǔ)器單元處產(chǎn)生的磁場(chǎng)；圖4是MRAM存儲(chǔ)器陣列實(shí)施例的平面圖；圖5是根據(jù)MRAM存儲(chǔ)器陣列的實(shí)施例的非線性字線的平面圖；圖6表示根據(jù)MRAM存儲(chǔ)器陣列的實(shí)施例的非線性字線部分；圖7表示根據(jù)MRAM存儲(chǔ)器陣列的實(shí)施例的位線部分；圖8表示非線性字線的另一實(shí)施例；圖9是圖4所示MRAM存儲(chǔ)器陣列的存儲(chǔ)器單元的透視圖。
具體實(shí)施例方式
通過(guò)優(yōu)選實(shí)施例并通過(guò)附圖來(lái)說(shuō)明MRAM存儲(chǔ)器陣列。
圖4是具有非線性字線110和位線120的MRAM存儲(chǔ)器陣列100的平面圖。在存儲(chǔ)器陣列100中，字線110在x方向延伸，并且位線120在y方向延伸。字線110在存儲(chǔ)器單元位置130處與位線120交叉(陰影所示)。位線120疊加在字線110上，從而僅跨過(guò)位線120之間的間隙的字線110部分在圖4中是可見(jiàn)的。參考序號(hào)150表示存儲(chǔ)器單元，在圖4中不可見(jiàn)，夾在字線110和位線120之間。存儲(chǔ)器單元150位于陰影的存儲(chǔ)器單元位置130的每一個(gè)之處，夾在交叉的字線110和位線120之間。
為了圖示，圖4中表示出在16個(gè)存儲(chǔ)器單元位置130處交叉的兩個(gè)字線110和8個(gè)位線120。實(shí)際上，可使用例如1024×1024存儲(chǔ)器單元陣列或更大的陣列。
存儲(chǔ)器陣列100響應(yīng)于寫(xiě)入電路(未示出)，在寫(xiě)入操作期間把電流提供給字線和位線110，120。讀出電路也耦合于存儲(chǔ)器陣列100，以檢測(cè)存儲(chǔ)器單元150的二進(jìn)制狀態(tài)。
圖5是非線性字線110的平面圖。在圖5的實(shí)施例中，非線性字線110包括第一腿部112、第二腿部114、第三腿部116和第四腿部118。第一到第四腿部112，114，116，118端對(duì)端連接，每個(gè)腿部與相鄰的腿部正交。第一到第四腿部112，114，116，118的模式(pattern)重復(fù)，以形成非線性字線110。當(dāng)非線性字線110設(shè)置在MRAM存儲(chǔ)器陣列100中時(shí)，第一腿部112和第三腿部116在y方向上與位線120部分共存。
圖6表示字線110部分以及字線110中的電流Ix產(chǎn)生的磁場(chǎng)HxW。下標(biāo)“W”表示場(chǎng)HxW由字線110產(chǎn)生。圖7表示位線120部分以及位線120中的電流Iy產(chǎn)生的磁場(chǎng)HxB。下標(biāo)“B”表示場(chǎng)HxB由位線120產(chǎn)生。
當(dāng)字線110和位線120設(shè)置在存儲(chǔ)器陣列100中時(shí)，在y方向上延伸的字線110部分(在這個(gè)實(shí)施例中，第三腿部116)在y方向上與位線120部分共存。存儲(chǔ)器單元150在存儲(chǔ)器單元位置130處夾在字線110和位線120之間，在該位置這些部分共存。在共存位置處，電流Ix和Iy基本上在y方向?qū)R，這意味著場(chǎng)HxW和HxB在x方向上基本上對(duì)齊。因此，結(jié)果得到的場(chǎng)強(qiáng)近似HxW+HxB。結(jié)果得到的場(chǎng)在其通過(guò)存儲(chǔ)器單元150時(shí)還基本上與存儲(chǔ)器單元150的易軸(雙向箭頭)對(duì)齊。將結(jié)果得到的場(chǎng)稱為“基本上與易軸對(duì)齊”表示結(jié)果得到的場(chǎng)在y方向上具有小的矢量分量。
將場(chǎng)HxW和HxB并且從而將結(jié)果得到的場(chǎng)與易軸對(duì)齊減小了改變數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層152的磁化方向所需的場(chǎng)HxW和HxB的大小。因此，可使用更小的字線和位線電流Ix，Iy來(lái)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器單元150的二進(jìn)制狀態(tài)，降低存儲(chǔ)器陣列100的功耗。更小的字線和位線電流Ix，Iy還意味著可使用更小的字線110和位線120，提高存儲(chǔ)器陣列100的密度并降低成本。
圖8表示非線性字線的另一可行實(shí)施例。參考圖8，非線性字線210包括反復(fù)的序列第一腿部212、第二腿部214、第三腿部216和第四腿部218。第一到第四腿部212，214，216，218之一與相鄰?fù)炔砍射J角β。第一腿部212和第三腿部216對(duì)齊來(lái)在存儲(chǔ)器單元位置230處(陰影所示)與位線220(虛線所示的那個(gè)位線)交叉。由于電傾向于在位置之間的最短路徑中傳播，增加第二和第四腿部214，218的長(zhǎng)度。因此，電流Ix基本在y方向上通過(guò)第一腿部212和第三腿部216傳播。這個(gè)結(jié)構(gòu)在x方向上提供磁場(chǎng)HxW和HxB的更好的對(duì)齊。
非線性字線的另一實(shí)施例可使用在圖4所示的MRAM存儲(chǔ)器陣列中。例如，圖5所示的非線性字線110可包括連接在y方向上延伸的字線110部分的圓化的腿部。另外，非線性字線110不需要包括準(zhǔn)確地與位線120的部分共存的部分。如圖8所示，字線部分可被偏移一定程度，以更好地對(duì)齊字線和位線中的電流。該部分也可以在傳統(tǒng)存儲(chǔ)器單元陣列中在字線和位線之間取向除在小于90度角的另外的非零角度。例如，該部分可取向來(lái)使得字線和位線電流按彼此成小于例如45度的角度取向。
圖9表示如圖4所示的存儲(chǔ)器單元150。存儲(chǔ)器單元150可以是自旋相關(guān)隧道(SDT)器件。存儲(chǔ)器單元150包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層152，其具有可在二進(jìn)制狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的磁取向的易軸164。勢(shì)壘層154將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層152與被釘扎層156分開(kāi)。被釘扎層156具有固定取向以便于在施加的磁場(chǎng)存在的情況下不旋轉(zhuǎn)的磁化軸166。如果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層152與被釘扎層156的磁化在相同方向上，將取向叫作“平行”。如果在相反方向上，則取向叫作“反平行”。這兩個(gè)取向分別表示二進(jìn)制狀態(tài)“1”和“0”。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層152與被釘扎層156被勢(shì)壘層154分開(kāi)。勢(shì)壘層154允許在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層152與被釘扎層156之間產(chǎn)生量子力學(xué)遂穿。這個(gè)遂穿現(xiàn)象是電子自旋相關(guān)的，使得SDT器件的電阻為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層152與被釘扎層156的磁化相對(duì)取向的函數(shù)。
反鐵磁(AF)釘扎層158設(shè)置來(lái)釘扎被釘扎層156的磁化。隔離層160設(shè)置在AF層158與橫向取向的磁性層162之間。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，橫向取向的磁性層162在磁化168的方向上提供橫向磁場(chǎng)，其可與y軸對(duì)齊。由于字線和位線在本發(fā)明的實(shí)施例中可基本上共存，橫向取向的磁性層162可在存儲(chǔ)器單元150中提供單獨(dú)的橫向磁場(chǎng)。
橫向磁場(chǎng)是需要的，因?yàn)闄M向磁場(chǎng)迫使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層152的磁場(chǎng)沿著一個(gè)路徑在同一象限內(nèi)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這增加了存儲(chǔ)器單元150的轉(zhuǎn)換的可重復(fù)性。橫向磁場(chǎng)還降低轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器單元150所需的電流Ix和Iy的量。降低轉(zhuǎn)換電流Ix和Iy提供附加的好處是增大存儲(chǔ)器單元密度，因?yàn)榭墒褂酶〉淖志€和位線。
根據(jù)上述實(shí)施例，橫向磁場(chǎng)可繼續(xù)不斷地施加，并且從而橫向取向的磁性層162可由永磁體層構(gòu)成。因此，不需要電流來(lái)產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)，這降低了存儲(chǔ)器陣列的功率要求。作為另一實(shí)施例，橫向取向的磁性層162可包括被釘扎的橫向磁化的層和釘扎被釘扎層的磁化的反鐵磁材料的釘扎層。
橫向取向的磁性層162可由各種磁性材料制成。例如橫向取向的磁性層162可由鈷鉻合金制成。通過(guò)在橫向上施加大的磁場(chǎng)在室溫下設(shè)置橫向取向的磁性層162。選擇橫向取向的磁性層162的厚度來(lái)提供需要的橫向磁場(chǎng)。
在MRAM存儲(chǔ)器陣列100中使用的存儲(chǔ)器單元150不是僅適合于在MRAM存儲(chǔ)器陣列100中使用的一種類型的存儲(chǔ)器單元。例如，其他類型的存儲(chǔ)器單元，如巨磁電阻(GMR)器件也可用在MRAM存儲(chǔ)器陣列100中。
MRAM存儲(chǔ)器陣列100可被用于很多種應(yīng)用中。一種常規(guī)應(yīng)用由具有MRAM存儲(chǔ)模塊的機(jī)器來(lái)體現(xiàn)。MRAM存儲(chǔ)模塊可包括用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)的一個(gè)或多個(gè)MRAM存儲(chǔ)器陣列。
對(duì)于諸如筆記本計(jì)算機(jī)或個(gè)人計(jì)算機(jī)的機(jī)器而言，MRAM存儲(chǔ)模塊可包括若干MRAM存儲(chǔ)器陣列。在諸如服務(wù)器的應(yīng)用中，MRAM存儲(chǔ)模決可包括大量MRAM存儲(chǔ)器陣列。這種MRAM存儲(chǔ)模塊可替代或補(bǔ)充傳統(tǒng)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)器件，如硬盤驅(qū)動(dòng)器。
盡管參考例示的實(shí)施例說(shuō)明了MRAM存儲(chǔ)器陣列，但對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯然可進(jìn)行多種變形，并且本發(fā)明公開(kāi)旨在覆蓋其所有變形。
權(quán)利要求
1.一種MRAM存儲(chǔ)器陣列(100)，包括存儲(chǔ)器單元(150)陣列；多個(gè)在第一方向(x)延伸的非線性字線(110)；和多個(gè)在第二方向(y)延伸的實(shí)質(zhì)線性的位線(120)，其中在多個(gè)存儲(chǔ)器單元位置(130)處字線(110)與位線(120)交叉，并且在存儲(chǔ)器單元位置(130)處放置存儲(chǔ)器單元(150)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MRAM存儲(chǔ)器陣列(100)，其中字線(110)包括多個(gè)端對(duì)端連接并且彼此成角度設(shè)置的腿部(112，114，116，118)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MRAM存儲(chǔ)器陣列(100)，其中每個(gè)腿部(112，114，116，118)與相鄰的腿部(112，114，116，118)大致正交。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MRAM存儲(chǔ)器陣列(100)，其中每個(gè)腿部(112，114，116，118)與相鄰的腿部(112，114，116，118)以銳角相對(duì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MRAM存儲(chǔ)器陣列(100)，其中字線(110)的交錯(cuò)的腿部(112，114，116，118)在存儲(chǔ)器單元位置(130)處與位線(120)部分基本共存。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MRAM存儲(chǔ)器陣列(100)，其中字線(110)部分在存儲(chǔ)器單元位置(130)處與位線(120)部分基本共存。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的MRAM存儲(chǔ)器陣列(100)，其中字線(110)部分在存儲(chǔ)器單元位置(130)處與位線(120)部分平行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MRAM存儲(chǔ)器陣列(100)，其中每個(gè)存儲(chǔ)器單元(150)在第二方向(y)上產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的MRAM存儲(chǔ)器陣列(100)，其中每個(gè)存儲(chǔ)器單元(150)包括橫向取向的磁性層(162)，產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(152)，具有易磁化軸(164)；被釘扎層(156)，其中橫向磁場(chǎng)橫過(guò)易磁化軸(164)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MRAM存儲(chǔ)器陣列(100)，其中字線(110)設(shè)置來(lái)接收字電流，并且位線(120)設(shè)置來(lái)接收位電流，在存儲(chǔ)器單元位置(130)處將字電流設(shè)置為與位電流成小于45度的角度。
全文摘要
MRAM存儲(chǔ)器陣列(100)具有非線性字線(110)和線性位線(120)。字線(110)在存儲(chǔ)器單元位置處(130)與位線(120)交叉,并且基本上在交叉點(diǎn)處與位線(120)共存。當(dāng)電流通過(guò)字線(110)和位線(120)時(shí),在共存點(diǎn)處字線(110)和位線(120)產(chǎn)生的磁場(chǎng)大致對(duì)齊。因此結(jié)果得到的場(chǎng)的磁化強(qiáng)度大于傳統(tǒng)正交取向場(chǎng)。由于增加了字線(110)和位線(120)產(chǎn)生的場(chǎng),可使用更小的字線和位線電流,這降低了存儲(chǔ)器陣列(100)需要的尺寸。存儲(chǔ)器陣列(100)還可利用具有用于產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)的磁性層(162)的存儲(chǔ)器單元(150)。橫向場(chǎng)與字線(110)和位線(120)產(chǎn)生的磁場(chǎng)正交取向,并且增加存儲(chǔ)器單元(150)的轉(zhuǎn)換的可重復(fù)性。橫向場(chǎng)還減少轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器單元(150)所需的電流。
文檔編號(hào)G11C11/16GK1388533SQ02121618
公開(kāi)日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2002年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月29日
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