專利名稱：每個存儲單元具有多位的磁存儲器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁存儲器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磁隨機訪問存儲器(“MRAM”)是考慮作為短期和長期數(shù)據(jù)存儲的非易失性存儲器。MRAM比例如DRAM、SRAM和快閃存儲器等短期存儲器功耗更低。MRAM執(zhí)行讀寫操作的速度比例如硬盤等一般的長期存儲裝置快得多(幾個數(shù)量級)。此外，MRAM比硬盤更緊湊，功耗更低。MRAM還被考慮作為極快處理器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等嵌入應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
非常希望增加MRAM器件的位密度。位密度的增加可以增加存儲容量并降低存儲成本。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的磁存儲器件。
圖1a和1b示出了磁存儲器件的不同磁化方向。
圖2示出了用于磁存儲器件的數(shù)據(jù)和參考層的磁滯回線。
圖3示出了磁存儲器件的寫操作。
圖4示出了磁存儲器件的讀操作。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的MRAM器件。
圖6a和6b示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的MRAM器件的讀出方法。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的磁存儲器件。
具體實施例方式
參考圖1，圖中示出的磁存儲器件8包括第一和第二磁隧道結(jié)10和20。第一磁隧道結(jié)10包括第一數(shù)據(jù)層12、參考層14的上部14a以及在數(shù)據(jù)層12和上部14a之間的第一絕緣隧道阻擋層16。第一數(shù)據(jù)層12由鐵磁材料構(gòu)成，并且可以在兩個方向中磁化(用矢量M1表示)，通常沿其易磁化軸(一個方向用實線表示，另一個方向用虛線表示)。參考層14的上部14a也由鐵磁材料構(gòu)成，并且可以在兩個方向中磁化(用矢量M3表示)，通常沿其易磁化軸。第一數(shù)據(jù)層12和參考層14的上部14a的易磁化軸在相同方向延伸。
如果第一數(shù)據(jù)層12和參考層14的上部14a的磁化矢量(M1和M3)指向同一方向，則說第一磁隧道結(jié)10的方向“平行”(圖1a)。如果第一數(shù)據(jù)層12和參考層14的上部14a的磁化矢量(M1和M3)指向相反的方向，則說第一磁隧道結(jié)10的方向“反平行”(圖1b)。平行和反平行這兩個穩(wěn)定方向可以對應(yīng)邏輯值“0”和“1”。
第一絕緣隧道阻擋層16允許在第二數(shù)據(jù)層12和參考層14的上部14a之間出現(xiàn)量子機械隧道。該隧道現(xiàn)象依賴于電子自旋，使第一磁隧道結(jié)10的阻抗為關(guān)于第一數(shù)據(jù)層12和參考層14的上部14a的磁化矢量(M1和M3)的方向的函數(shù)。例如，如果第一磁隧道結(jié)10的磁化方向為平行，則第一磁隧道結(jié)10的阻抗為第一個值(R)，如果磁化方向為反平行，則第一磁隧道結(jié)10的阻抗為第二個值(R1+ΔR)。第一絕緣隧道阻擋層16由氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(Si02)、氧化鉭(Ta2O5)、氮化硅(Si3N4)、氮化鋁(AlN)或氧化鎂(MgO)制成。其它介質(zhì)和某些半導(dǎo)體材料也可以用作第一絕緣隧道阻擋層16。第一絕緣隧道阻擋層16的厚度從大約0.5納米到大約3納米。
第二磁隧道結(jié)20包括第二數(shù)據(jù)層22、參考層14的下部14b以及在數(shù)據(jù)層22和下部14b之間的第二絕緣隧道阻擋層24。第二數(shù)據(jù)層22由鐵磁材料構(gòu)成，并且可以在兩個方向中磁化(用矢量M2表示)，通常沿其易磁化軸。參考層14的下部14b也由鐵磁材料構(gòu)成，并且可以在兩個方向中磁化(用同一個矢量M3表示)，通常沿其易磁化軸。第二絕緣隧道阻擋層24允許在第二數(shù)據(jù)層22和參考層14之間出現(xiàn)量子機械隧道。第二磁隧道結(jié)20的阻抗為關(guān)于第二數(shù)據(jù)層22和參考層14的下部的磁化矢量(M2和M3)的方向的函數(shù)。
第一磁隧道結(jié)10具有兩個阻抗?fàn)顟B(tài)(R1，R1+ΔR1)，第二磁隧道結(jié)20具有兩個阻抗?fàn)顟B(tài)(R2，R2+ΔR2)。通過用不同厚度和/或材料的絕緣隧道阻擋層16和24使磁隧道結(jié)10和20的阻抗不同。只要能夠檢測到四個阻抗?fàn)顟B(tài)的不同，就可以在磁存儲器件8中存儲四個不同的邏輯電平。
第一電導(dǎo)體30與第一數(shù)據(jù)層12接觸，第二電導(dǎo)體32與第二數(shù)據(jù)層22接觸。參考層14包括第三導(dǎo)體34。導(dǎo)體30、32和34可以用例如銅或鋁等材料制成。第一和第二導(dǎo)體30和32沿同一個方向延伸。第三導(dǎo)體34大致與第一和第二導(dǎo)體30和32成直角。
參考層14還包括在第三導(dǎo)體34上的鐵磁體覆層36。參考層14的上部14a包括覆層36在第三導(dǎo)體34和第一絕緣隧道阻擋層16之間的部分。參考層的下部14b包括覆層36在第三導(dǎo)體34和第二絕緣隧道阻擋層24之間的部分。覆層厚度的繪圖相對于第三導(dǎo)體34被夸大了。覆層36的厚度為大約1nm到50nm(典型值為4nm)。對第三導(dǎo)體34提供電流使第三導(dǎo)體34周圍產(chǎn)生磁場。如果電流流入第三導(dǎo)體34，則磁場使參考層磁化矢量(M3)以順時針方向圍繞第三導(dǎo)體34(如圖1所示)。如果電流方向相反，則磁場使參考層磁化矢量(M3)以逆時針方向圍繞第三導(dǎo)體34。在上部14a中磁化指向一個方向，在下部14b中磁化指向相反方向。覆層36為磁場提供通路。
現(xiàn)在參考圖2，圖2示出了第一和第二數(shù)據(jù)層12和22的磁滯回線L1和L2。圖2還示出了參考層14的上部14a和下部14b的磁滯回線L3。第一和第二數(shù)據(jù)層12和22具有相同的矯頑力。即，HC1＝HC2。數(shù)據(jù)層12和22的矯頑力(HC1，HC2)高于參考層部分14a和14b的矯頑力(HC3)。數(shù)據(jù)層的矯頑力(HC1，HC2)是參考層部分14a和14b的矯頑力(HC3)的2-5倍。例如，數(shù)據(jù)層的矯頑力(HC1，HC2)大約為25Oe，每個參考層部分14a和14b的矯頑力(HC3)大約為5Oe。因為參考層磁化矢量(M3)更容易翻轉(zhuǎn)，所以認為參考層部分14a和14b比數(shù)據(jù)層12和22“軟”。最好使參考層部分14a和14b的矯頑力(HC3)盡可能低。
通過使用不同的位形狀、幾何尺寸、成分、厚度等使矯頑力不同。鐵磁體層材料包括鎳鐵(NiFe)、鎳鐵鈷(NiFeCo)、鈷鐵(CoFe)、NiFe和Co的其它磁性軟合金、摻雜非晶鐵磁合金和PERMALLOYTM。例如，數(shù)據(jù)層12和22由NiFeCo或CoFe制成，覆層36由NiFe制成。
現(xiàn)在參考圖3。通過將第一、第二和第三寫入電流(IW1、IW2、IW3)加到第一、第二和第三導(dǎo)體30、32和34中進行寫入操作。第一、第二和第三寫入電流(IW1、IW2、IW3)分別產(chǎn)生圍繞第一、第二和第三導(dǎo)體30、32和34的磁場(H1、H2、H3)。當(dāng)?shù)谝缓偷谌艌?H1和H3)的組合超過第一數(shù)據(jù)層12的矯頑力(HC1)時，使第一數(shù)據(jù)層12的磁化矢量(M1)置為希望的方向。第一數(shù)據(jù)層磁化矢量(M1)的方向決定了存儲在第一磁隧道結(jié)10中的邏輯值。當(dāng)?shù)诙偷谌艌?H2和H3)的組合超過第二數(shù)據(jù)層22的矯頑力(HC2)時，使第二數(shù)據(jù)層22的磁化矢量(M2)置為希望的方向。第二數(shù)據(jù)層磁化矢量(M2)的方向決定了存儲在第二磁隧道結(jié)20中的邏輯值。
第一數(shù)據(jù)層磁化矢量(M1)的方向的設(shè)置與第二數(shù)據(jù)層的磁化矢量(M2)的方向無關(guān)。因此，可以獨立于第二和第三寫入電流(IW2和IW3)的組合施加第一和第三寫入電流(IW1和IW3)的組合。
可以依次寫入第一和第二磁隧道結(jié)10和20。例如，第一和第二寫入電流中的任一個(IW1或IW2)加到第一或第二導(dǎo)體30或32，并且在短延時(例如，20ns)之后第三寫入電流(IW3)施加到第三導(dǎo)體34。結(jié)果，首先施加難磁化軸磁場(hard axis field)，以得到沿易磁化軸產(chǎn)生的磁化矢量具有更高扭矩的優(yōu)點(易磁化軸和難磁化軸由標(biāo)有EA和HA的箭頭表示)。
如果三個電流的大小相等，則圍繞第一和第二導(dǎo)體30和32的磁場比圍繞第三導(dǎo)體34的磁場對數(shù)據(jù)層12和22具有更大的影響(因為磁場的一部分使鐵磁體覆層36飽和)。第三寫入電流(IW3)的大小可以大于第一和第二寫入電流(IW1、IW2)的大小，以便補償鐵磁體覆層36的飽和，并產(chǎn)生更高扭矩的磁化矢量(M1和M2)。
現(xiàn)在參考圖4，圖4示出了讀操作。讀出電流(IR)加到第三導(dǎo)體34。讀出電流(IR)使產(chǎn)生的磁場圍繞第三導(dǎo)體34。磁場使在參考層14的上部14a中的磁化指向與參考層14的下部14b中的磁化相反的方向。因為參考層14的矯頑力(HC3)低，所以讀出電流(IR)的大小可以可以小。由此，產(chǎn)生的磁場不影響數(shù)據(jù)層12和22的磁化。
第一電位(V)加到第一和第二導(dǎo)體30和32，并且第三導(dǎo)體34保持在低于第一電位的電位。結(jié)果，第一檢測電流(IS10)流過第一次隧道結(jié)10并進入節(jié)點(N)，第二檢測電流(IS20)流過第二次隧道結(jié)20并進入節(jié)點(N)。測量流過節(jié)點(N)的電流(IS10+IS20+IR)推斷器件8的阻抗?fàn)顟B(tài)。推斷出的阻抗?fàn)顟B(tài)將是R1+R2、R1+R2+ΔR1、R1+R2+ΔR2或R1+R2+ΔR1+ΔR2。只要四種阻抗?fàn)顟B(tài)檢測為不同狀態(tài)，則可以讀出四種不同的邏輯電平。
現(xiàn)在參考圖5，圖5示出了MRAM器件110。MRAM器件110包括存儲單元114的陣列112。每個存儲單元114包括第一和第二磁隧道結(jié)10和12。存儲單元114排列成行和列，行沿x方向延伸，列沿y方向延伸。只示出了少量的存儲單元114以簡化所示的MRAM器件110。在實踐中，可以使用任何尺寸的陣列。
字線116沿x方向延伸。每個字線116，包括第二導(dǎo)體，第三導(dǎo)體覆有鐵磁體材料36。每個字線116與(第一磁隧道結(jié)10的)第一絕緣隧道阻擋層16的行以及(第二磁隧道結(jié)20的)第二絕緣隧道阻擋層24的行接觸。第一和第二位線118和120沿y方向延伸。每個第一位線118與(第一磁隧道結(jié)10的)第一數(shù)據(jù)層12的列接觸。每個第一磁隧道結(jié)10位于字線116和第一位線118的交叉點。每個第二位線120與(第二磁隧道結(jié)20的)第二數(shù)據(jù)層22的列接觸。每個第二磁隧道結(jié)20位于字線116和第二位線120的交叉點。
MRAM器件110還包括第一和第二行譯碼器122a和122b，第一和第二列譯碼器124a和124b以及讀/寫電路126。在讀出和寫入操作期間，譯碼器122a、122b、124a和124b選擇字線和位線116、118和120。選中的第一磁隧道結(jié)10位于選中的字線116和選中的第一位線118的交叉點。選中的第二磁隧道結(jié)20位于選中的字線116和選中的第二位線120的交叉點。
讀/寫電路126包括在寫入操作期間為選中的字線和位線116、118和120提供寫入電流的電流源128。在讀出操作期間電流源128還提供讀出電流。讀/寫電路126包括檢測放大器130，接地連接132和在讀出期間施加電壓的電壓源134。
在寫入操作期間，讀/寫電路126選中的存儲單元114的第一和第二磁隧道結(jié)10和20寫入邏輯值。
在讀出操作期間，讀/寫電路126檢測選中的存儲單元114的第一和第二磁隧道結(jié)10和20的阻抗?fàn)顟B(tài)。但是，在陣列112中，磁隧道結(jié)10和20通過許多平行的路徑連接在一起。在一個交叉點看到的阻抗等于在交叉點處的磁隧道結(jié)10的阻抗與在其它行和列中的磁隧道結(jié)10和20的阻抗的并聯(lián)。因此，磁隧道結(jié)10的陣列112具有兩級交叉點阻抗網(wǎng)絡(luò)的特點。
因為磁隧道結(jié)10和20連接為交叉點阻抗網(wǎng)絡(luò)，所以寄生或潛通路電流能干擾選中的磁隧道結(jié)10和20上的讀出操作。例如二極管或晶體管等阻塞器件可以連接到磁隧道結(jié)10和20。這些阻塞器件能阻塞寄生電流。
在可選實施例中，在受讓人的美國專利No.6,259,644中采用“等電位”方法的變型來處理寄生電流。在美國專利No.6,259,644中公開的等電位方法包括將電位加到選中的線，并向未選中的位線和未選中的字線提供相同的電位。避免了寄生電流從而不會干擾檢測電流。
在圖6a中示出了等電位方法的實施例。陣列電壓(Va)加到檢測放大器610的第一輸入端，選中的字線116連接到同一個放大器610的第二輸入端。檢測放大器610的第二輸入端將電壓(Va’)耦合到選中的字線116，這里Va’＝Va。選中的位線118和120連接到地132。檢測電流(IS10、IS20)流過第一和第二磁隧道結(jié)10和20。檢測放大器610通過產(chǎn)生與字線116上的總電流(IS10+IS20)成比例的輸出電壓來確定選中的存儲單元114的阻抗?fàn)顟B(tài)。
為了最小化寄生電流，電壓V1加到所有上部未選中的位線118上，電壓V2加到所有下部未選中的位線120上。允許所有未選中的字線116浮置。寄生電流(IP10和IP20)流過加有電壓V1和V2的節(jié)10和20。電壓V1和V2可以設(shè)為陣列電壓(Va)，從而V1＝V2＝Va。
在圖6 b示出了等電位方法的另一個實施例。檢測放大器610的第一和第二輸入端分別連接到地(GND)和選中的字線116。陣列電壓(Va)加到選中的位線118和120上，電壓V1加到所有上部未選擇的位線118，電壓V2施加到所有下部未選中的位線120。V1＝V2＝GND。在可選實施例中，V1＝ε，V2＝-ε，這里ε是比地電位(GND)高幾(例如，幾十)毫伏的很小的電位。因此，GND＜ε＜＜Va。通過以這種方式偏置陣列112的上部和下部，寄生電流(IP10和IP20)不干擾檢測電流(IS10和IS20)。
MRAM器件并不限于具有共享軟參考層的雙位存儲單元。MRAM器件可以改為包括一個或多個具有硬參考層的雙位存儲單元的陣列。
現(xiàn)在參考圖7，圖7示出了這種陣列的雙位存儲單元710。存儲單元710的第一位712包括間隔層712a、在間隔層712a的一側(cè)上的數(shù)據(jù)層712b以及在間隔層712a的另一側(cè)上的硬參考層712c。第二位714包括間隔層714a、在間隔層714a的一側(cè)上的數(shù)據(jù)層714b以及在間隔層714a的另一側(cè)上的硬參考層714c。如果位712和714為磁隧道結(jié)，則間隔層712a和714a為絕緣隧道阻擋層，參考層712c和714c為針層(pinned layer)。針層的磁化方向固定，從而在出現(xiàn)所加的感興趣的磁場范圍內(nèi)不旋轉(zhuǎn)。因此，數(shù)據(jù)層磁化可以在兩個方向中取向與針層磁化方向相同或與針層磁化方向相反。
針層的磁化方向可由反鐵磁性的(AF)針層(未示出)固定。AF針層提供大的交換場保持針層的磁化在一個方向。
字線716連接到位712和714的參考層712c和714c，第一位線718連接到第一位712的數(shù)據(jù)層712b，第二位線720連接到第二位714的數(shù)據(jù)層714b。第一位712具有兩種阻抗?fàn)顟B(tài)，第二位714具有兩種阻抗?fàn)顟B(tài)。四個阻抗?fàn)顟B(tài)為不同的可檢測狀態(tài)。這種存儲單元的陣列可用圖6a和6b所示的方法讀出。
存儲單元并不限于兩位。通過增加每個存儲單元的磁阻器件可以增加另外的位。例如，包括三個磁阻器件的存儲單元將具有三位和八個不同的阻抗?fàn)顟B(tài)。
本發(fā)明并不限于此隧道結(jié)。本發(fā)明還包含其它類型的磁阻器件，例如巨磁阻(GMR)器件。GMR器件與TMR器件具有相同的基本結(jié)構(gòu)，除了數(shù)據(jù)和參考層用導(dǎo)電非磁性金屬層而不是絕緣隧道阻擋層來分隔。示例性的間隔層金屬包括金、銀和銅。數(shù)據(jù)和參考磁化矢量的相對方向影響GMR器件的共面(in-plane)阻抗。其它類型的器件包括上部和下部旋轉(zhuǎn)真空管(spin valve)。
雖然介紹和說明了本發(fā)明的幾個特殊實施例，本發(fā)明并不限于所介紹和說明部分的特殊形式和方案。相反，本發(fā)明根據(jù)隨后的權(quán)利要求書來解釋。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)據(jù)存儲器件(110)，包括存儲單元(114)的陣列(112)，每個存儲單元(114)包括串聯(lián)連接的第一和第二磁阻器件(10、20)，每個存儲單元(114)的第一磁阻器件(10)具有第一和第二阻抗?fàn)顟B(tài)，每個存儲單元(114)的第二磁阻器件(20)具有第三和第四阻抗?fàn)顟B(tài)，每個存儲單元(114)的全部四種阻抗?fàn)顟B(tài)具有可檢測的不同；第一導(dǎo)體(118)的列，每個第一導(dǎo)體(118)連接到第一磁阻器件(10)的列的數(shù)據(jù)層(12)；第二導(dǎo)體(120)的列，每個第二導(dǎo)體(120)連接到第二磁阻器件(20)的列的數(shù)據(jù)層(22)；以及第三導(dǎo)體(116)的行，每個第三導(dǎo)體(116)在第一和第二磁阻器件(10、20)的行的參考層(14a、14b)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)據(jù)存儲器件，其中每個存儲單元(114)的第一和第二磁阻器件(10、20)包括由不同厚度和/或材料制成的絕緣隧道阻擋層(16、24)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)據(jù)存儲器件，其中每個存儲單元(114)的第一和第二磁阻器件(10、20)包括在第三導(dǎo)體(116)上的鐵磁體材料覆層(36)；在覆層導(dǎo)體(116)的對側(cè)上的第一和第二間隔層(16、24)；在第一間隔層(16)上的第一數(shù)據(jù)層(12)；以及在第二間隔層(24)上的第二數(shù)據(jù)層(22)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的數(shù)據(jù)存儲器件，其中隔層(16、24)為絕緣隧道阻擋層，由此第一數(shù)據(jù)和間隔層(16、24)與覆層導(dǎo)體(116)形成第一磁隧道結(jié)(10)，第二數(shù)據(jù)和間隔層(22、24)與覆層導(dǎo)體(116)形成第二磁隧道結(jié)(20)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)據(jù)存儲器件，其中每個磁阻器件(10、20)包括間隔層、在間隔層一面上的數(shù)據(jù)鐵磁體層和在間隔層另一面上的硬參考鐵磁體層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的數(shù)據(jù)存儲器件，其中間隔層為絕緣隧道阻擋層，硬參考層為針層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)據(jù)存儲器件，還包括用于在選中的存儲單元(114)處交叉的第一和第二導(dǎo)體(118、120)上施加第一電壓并保持在選中的存儲單元(114)處交叉的第三導(dǎo)體(116)為不同于第一電壓的第二電壓的讀出電路(126)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的數(shù)據(jù)存儲器件，其中讀出電路(126)測量第三導(dǎo)體(116)上的總電流，以確定第一和第二磁阻器件(10、20)的阻抗?fàn)顟B(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的數(shù)據(jù)存儲器件，還包括在讀操作期間分流寄生電流的裝置(126)。
全文摘要
數(shù)據(jù)存儲器件(110)的存儲單元(114)包括串聯(lián)連接的第一和第二磁阻器件(10、20)。第一磁阻器件(10)具有第一和第二阻抗?fàn)顟B(tài)。第二磁阻器件(20)具有第三和第四阻抗?fàn)顟B(tài)。四種阻抗?fàn)顟B(tài)具有可檢測的不同。
文檔編號G11C11/15GK1492443SQ03136378
公開日2004年4月28日 申請日期2003年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月3日
發(fā)明者L·T·特蘭, M·沙馬, L T 特蘭 申請人:惠普開發(fā)有限公司