專利名稱：磁阻存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有多個(gè)磁存儲(chǔ)單元的磁阻存儲(chǔ)器。磁存儲(chǔ)單元分別位于由縱引線和橫引線矩陣構(gòu)成的單元陣列的各交叉點(diǎn)上并連接至上述引線；該些引線用于傳導(dǎo)讀電流和寫電流，其中，如果進(jìn)行寫操作，由相應(yīng)引線內(nèi)的寫電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)加在一個(gè)隨機(jī)交叉點(diǎn)上，由此使該交叉點(diǎn)上的存儲(chǔ)單元磁化反轉(zhuǎn)。
這種非易失性磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器在，例如，DE9807361A1中進(jìn)行了揭示。
背景技術(shù)：
目前，人們正在開(kāi)發(fā)多種用于讀操作和寫操作的數(shù)字存儲(chǔ)器。由于該類存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)芯片具有基于磁的高組裝密度(MRAM)，因此，至少在某些情況下，該類存儲(chǔ)器早在幾年以前就能夠取代常規(guī)的硅芯片(DRAM)。MRAM概念提供了將一個(gè)相應(yīng)的信息位(即邏輯零(“0”)或一(“1”)狀態(tài))存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)單元中的方法；該存儲(chǔ)單元原則上包含兩個(gè)磁化層，這兩個(gè)磁化層相互之間可以采用平行或反平行的方式進(jìn)行磁化。該包含多個(gè)存儲(chǔ)單元的單元陣列由一縱引線和橫引線矩陣構(gòu)成。這些引線包含導(dǎo)電材料，實(shí)際的存儲(chǔ)單元位于引線的交叉點(diǎn)上。為了使單個(gè)存儲(chǔ)單元的磁化發(fā)生變化，必須產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的強(qiáng)度可有選擇性地超出一個(gè)特定的閾值，即盡可能地僅在直接靠近一個(gè)可自由定址的交叉點(diǎn)處超過(guò)該特定閾值。所需的磁場(chǎng)根據(jù)常規(guī)的選擇模式并僅通過(guò)兩個(gè)磁場(chǎng)的向量加法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中上述兩個(gè)磁場(chǎng)與一個(gè)特定的交叉點(diǎn)相關(guān)并由縱引線和橫引線產(chǎn)生。
盡管MRAM中寫操作的基本原理早已為人們所了解，但最近人們已把開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)放在了逐級(jí)讀操作上。當(dāng)今的單個(gè)存儲(chǔ)單元通常至少包含兩個(gè)磁層，這兩個(gè)磁層通過(guò)一個(gè)中間層分隔開(kāi)來(lái)。單個(gè)存儲(chǔ)單元另外通過(guò)一個(gè)引線矩陣相連接。這些引線不僅如上所述用于產(chǎn)生讀操作用磁場(chǎng)，而且還傳導(dǎo)用于讀出單個(gè)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息的讀電流。一個(gè)存儲(chǔ)單元的磁存儲(chǔ)狀態(tài)不再通過(guò)外部磁性傳感器確定，而是通過(guò)測(cè)量存儲(chǔ)單元本身的及穿過(guò)存儲(chǔ)單元的某一特性(即電阻)的大小來(lái)確定。
目前，人們正在研究多種不同的磁阻效應(yīng)，其中這些不同的磁阻效應(yīng)均基于不同的物理作用原理。實(shí)際上，在將磁化方向從平行變?yōu)榉雌叫屑皬姆雌叫凶優(yōu)槠叫羞@一點(diǎn)上，所涉及的問(wèn)題是通過(guò)，例如，巨型磁阻效應(yīng)(GMR)或隧道磁阻效應(yīng)(TMR，其它縮寫形式也常見(jiàn))在一個(gè)百分之幾的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的電阻變化。
與常規(guī)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器相比，上述MRAM的主要優(yōu)點(diǎn)在于可持續(xù)地存儲(chǔ)信息；因此，采用了該存儲(chǔ)單元的裝置在關(guān)閉并又重新啟動(dòng)后，所存儲(chǔ)的信息立即可以使用。此外，MRAM還可消除硅片中消耗能量的刷新周期。在筆記本電腦中，所述“刷新”使筆記本電腦必須使用大而重的充電電池。
上述MRAM存在的問(wèn)題是，如果來(lái)自存儲(chǔ)器外部或相鄰單元的漏磁場(chǎng)的強(qiáng)度足夠大，可造成存儲(chǔ)內(nèi)容出錯(cuò)。由于磁場(chǎng)很難局部化，所以存在磁狀態(tài)被改變及由此造成相鄰單元的存儲(chǔ)內(nèi)容被改變的危險(xiǎn)，尤其是在組裝密度高并因此致使引線或存儲(chǔ)單元緊靠在一起的情況下。
因此，本發(fā)明引言中所引用的DE19807361A1提出使用一個(gè)屏蔽層，該屏蔽層由一種具有高磁導(dǎo)率的材料制成，可保護(hù)被覆存儲(chǔ)單元免受外部漏磁場(chǎng)的影響。此外，該屏蔽層還可將相應(yīng)存儲(chǔ)單元上的寫電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)集中到該存儲(chǔ)單元上，這樣，僅需較低強(qiáng)度的電流即可產(chǎn)生一個(gè)足以進(jìn)行寫操作的總磁場(chǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是配置一種在本發(fā)明引言中提及的磁阻存儲(chǔ)器(MRAM)，其配置方法是在不對(duì)制造工序進(jìn)行復(fù)雜干涉的情況下，對(duì)相應(yīng)存儲(chǔ)單元的磁場(chǎng)進(jìn)行可控的、尤其是更大程度的局部化，以便更有選擇性地對(duì)該存儲(chǔ)單元進(jìn)行尋址。此外，本發(fā)明能夠以盡可能相對(duì)較低的電流強(qiáng)度產(chǎn)生磁場(chǎng)。
若采用本發(fā)明引言中提及類型的磁阻存儲(chǔ)器(MRAM)，本發(fā)明的該目的可借助于以下事實(shí)實(shí)現(xiàn)，即引線的形狀可通過(guò)偏離其正方形橫截面而得以優(yōu)化，以使位于單元陣列平面中的磁場(chǎng)分量Bx隨著與交叉點(diǎn)的距離的增大而非常迅速地減小。
鑒于此前人們把采用橫截面接近正方形的引線來(lái)構(gòu)造MRAM作為根據(jù)，本發(fā)明現(xiàn)在所依據(jù)的概念是，從一開(kāi)始就通過(guò)優(yōu)化引線的形狀來(lái)產(chǎn)生比以前更大程度上局部化的磁場(chǎng)，并同時(shí)產(chǎn)生各種相對(duì)于所要求的閾值強(qiáng)度對(duì)所需電流強(qiáng)度及磁場(chǎng)的選擇性進(jìn)行優(yōu)化的可能性。
根據(jù)本發(fā)明，新的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可通過(guò)，例如，薄膜技術(shù)和光刻術(shù)集成到常規(guī)的晶圓上；該晶圓本身為一個(gè)已知的且位于，例如，控制讀和寫操作用MRAM芯片上的CMOS(互補(bǔ)金屬半導(dǎo)體)電路。相應(yīng)地，存儲(chǔ)單元的引線可通過(guò)由銅(Cu)制成的特殊互連實(shí)現(xiàn)，例如可將互連布置于倒數(shù)第二個(gè)與最后一個(gè)布線平面之間。就與該互連系統(tǒng)中其它引線的兼容性及諸如易制造性或高載流量等性質(zhì)而言，實(shí)際上，(近似)正方形的互連橫截面是合適的，但本發(fā)明的引線卻偏離了上述正方形橫截面，而采用了很大程度上扁平的矩形橫截面。
本發(fā)明MRAM的一個(gè)尤其較佳的改進(jìn)型式在于使用了具有一極端扁平的橫截面的引線，其結(jié)果是提高了選擇性同時(shí)降低了切換電流。切換電流的降低可縮小驅(qū)動(dòng)電路，并由此縮小芯片面積，減少電遷移及降低電力損耗。


下文中將參照附圖并采用具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了更詳細(xì)的說(shuō)明，其中圖1所示為一以本發(fā)明MRAM矩陣的一部分為依據(jù)的簡(jiǎn)化斜視平面圖，圖2所示為以一個(gè)坐標(biāo)系表示的磁場(chǎng)分量計(jì)算原理，圖3所示為以現(xiàn)有技術(shù)的MRAM為依據(jù)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，該磁場(chǎng)強(qiáng)度為距引線中心距離X的一個(gè)函數(shù)，并且該分布圖為一個(gè)理想化分布圖，
圖4所示為以現(xiàn)有技術(shù)的MRAM亦及本發(fā)明MRAM的兩個(gè)具體實(shí)施例為體據(jù)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，該磁場(chǎng)強(qiáng)度為距引線中心距離X的一個(gè)函數(shù)，圖5所示與圖4所示分布圖形式相同，為以本發(fā)明的MRAM的兩個(gè)其它具體實(shí)施例為依據(jù)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示為由3×3個(gè)存儲(chǔ)單元1和2組成的一種布置方式，所述存儲(chǔ)單元通過(guò)三條橫引線3(也稱作字線)及相關(guān)的縱引線4(為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，僅示出兩條引線)(也稱作位線)進(jìn)行連接。單個(gè)存儲(chǔ)單元1和2可分別由，例如，一個(gè)上部軟磁層5、一個(gè)下部硬磁層6及一個(gè)位于中間的隧道氧化物7(例如Al2O3)構(gòu)成。最前列的兩個(gè)下部存儲(chǔ)單元內(nèi)的箭頭用其平行或反平行磁經(jīng)表示上述兩個(gè)存儲(chǔ)單元的邏輯狀態(tài)“1”和“0”。
本發(fā)明引線形狀的優(yōu)化是以根據(jù)橫截面形狀對(duì)相關(guān)磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算為依據(jù)的。首先，計(jì)算一電流流通導(dǎo)體(理想的導(dǎo)體為細(xì)且無(wú)限長(zhǎng))的磁場(chǎng)，這相對(duì)而言較易確定。對(duì)于距引線中心點(diǎn)的距離R處的磁場(chǎng)強(qiáng)度B而言，下列公式適用B＝CI/R，其中I為電流，C為一個(gè)常數(shù)。磁場(chǎng)向量的方向可利用所謂的“右手”定則確定。
根據(jù)圖2中所示的坐標(biāo)系，選定方向z，使電流垂直于紙平面朝向觀察者方向流動(dòng)?？梢詫軸想像為位于引線的頂端。對(duì)于一個(gè)MRAM存儲(chǔ)單元的磁化狀態(tài)，此時(shí)在薄磁層上，幾乎唯有單元陣列或晶圓平面中的磁場(chǎng)分量(在此情況下即X方向)是重要的(基于消磁因數(shù))。然后，可確立磁場(chǎng)分量Bx的公式(參閱圖2)，并隨后還可對(duì)一個(gè)擴(kuò)展(非理想化的)導(dǎo)體進(jìn)行計(jì)算。(圖3的底部顯示了將一個(gè)具有正方形橫截面(約0.25μm×0.25μm)的真實(shí)導(dǎo)體分割成5×5個(gè)“理想”導(dǎo)體，在此情況，必須對(duì)所有的單個(gè)磁場(chǎng)分量Bx進(jìn)行求平均值計(jì)算。)以一個(gè)尺寸為0.25μm×0.25μm的已知正方形引線為例，圖3顯示了磁場(chǎng)分量Bx(假定I＝2.5mA；y＝10nm)分布的相關(guān)真實(shí)曲線8。從圖中可看出，在相關(guān)引線的外側(cè)(例如在X＝+/-0.25μm處)，即在相對(duì)于相鄰引線的中間區(qū)域內(nèi)，仍存在一個(gè)約40e的漏磁場(chǎng)9。根據(jù)真實(shí)曲線8的分布，盡管距離X仍進(jìn)一步增加，但該漏磁場(chǎng)卻相對(duì)較慢地朝零回落。在任何情況下均重要的是，引線正上方的磁場(chǎng)分量Bx要達(dá)到一個(gè)高于切換值的值。該值可根據(jù)，例如，隧道元件的磁滯曲線確定。此外，引線側(cè)面的磁場(chǎng)分量Bx，即緊靠交叉點(diǎn)周圍的磁場(chǎng)分量Bx值，應(yīng)盡可能地小，且明顯低于切換閾值。這樣即可產(chǎn)生圖3中所描述的磁場(chǎng)分量Bx的理想曲線10，該曲線在兩側(cè)垂直下落。
現(xiàn)在，上述計(jì)算表明，該磁場(chǎng)分量Bx中可能最陡的下落不能由橫截面為正方形的導(dǎo)體最佳地實(shí)現(xiàn)，但可通過(guò)如圖4中所示的厚度較為扁平的引線橫截面較佳地實(shí)現(xiàn)。圖4尤其顯示了一個(gè)與極端扁平的引線12相對(duì)應(yīng)的曲線11；導(dǎo)體橫截面已明顯變小(矩形橫截面的寬度至少比其高度大三倍)。然而，與正方形橫截面13相比，在X方向上產(chǎn)生更大的磁場(chǎng)分量(參閱相關(guān)的曲線14)，因此，如圖4中所示，可使用更低的切換電流。所產(chǎn)生的曲線11和中間曲線(與所示的中間橫截面相對(duì)應(yīng))的斜坡具有比在所知正方形橫截面的情況下(曲線14)更陡的形狀，因此具有更佳的選擇性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更低的切換電流。
所有關(guān)于磁場(chǎng)分量Bx的研究最初適用于一個(gè)單個(gè)的引線3或4，但如果也適用于具有兩個(gè)以上寫入線的配置，上述研究可不費(fèi)力地拓展至兩個(gè)磁場(chǎng)的向量加法。
圖5給出了扁平并額外斜削的引線橫截面或梯形引線橫截面的曲線計(jì)算結(jié)果。梯形橫截面15的計(jì)算結(jié)果(曲線16)表明，伴隨切換電流降低而發(fā)生的僅是選擇性的略微減損。傾斜橫截面17(曲線18)的計(jì)算結(jié)果是，選擇性略微改善而切換電流變大。圖5中顯示的曲線19對(duì)應(yīng)于該圖中的橫截面20或圖4中的中間橫截面。曲線19與圖4中的中間曲線之間存在的幅值差別是由圖5中2.5mA的高電流強(qiáng)度所致，選擇該電流強(qiáng)度是為了據(jù)此對(duì)改動(dòng)程度更大的橫截面15及橫截面17進(jìn)行比較。
權(quán)利要求
1.一種磁阻存儲(chǔ)器(MRAM)，其具有多個(gè)磁存儲(chǔ)單元(1，2)，所述磁存儲(chǔ)單元分別位于由一個(gè)縱引線和橫引線(3，4)矩陣構(gòu)成的單元陣列的各交叉點(diǎn)上并連接到所述引線(3，4)上，該些引線設(shè)置用于傳導(dǎo)讀電流和寫電流，其中，如果進(jìn)行寫操作，由相應(yīng)引線(3，4)中的寫電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)加在一個(gè)隨機(jī)定叉點(diǎn)上，并由此在該交叉點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)所述存儲(chǔ)單元(1，2)的磁化反轉(zhuǎn)，該存儲(chǔ)器的特征在于所述引線(3，4)的形狀通過(guò)偏離其正方形橫截面(13)而得以優(yōu)化，以使位于單元陣列平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量Bx隨著距交叉點(diǎn)的距離的增大而非常迅速地減小。
2.如權(quán)利要求1所述的磁阻存儲(chǔ)器(MRAM)，其特征在于，所述引線(3，4)具有一形狀為扁平矩形的橫截面(12)。
3.如權(quán)利要求2所述的磁阻存儲(chǔ)器(MRAM)，其特征在于，所述矩形的寬度至少比其高度大三倍。
4.如權(quán)利要求2或3所述的磁阻存儲(chǔ)器(MRAM)，其特征在于，所述引線(3，4)具有一形狀為側(cè)面傾削矩形的橫截面(15，17)。
5.如上述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的磁阻存儲(chǔ)器(MRAM)，其特征在于，MRAM位于一半導(dǎo)體基材上，該半導(dǎo)體基材上集成有產(chǎn)生讀電流和寫電流電路，并且其特征還在于，所述引線(3，4)被集成到該電路的互連系統(tǒng)中。
全文摘要
一個(gè)由多個(gè)磁存儲(chǔ)單元構(gòu)成的單元陣列的引線形狀(所述單元陣列由縱引線和橫引線的矩陣構(gòu)成)通過(guò)偏離引線的正方形橫截面而得以優(yōu)化，以使位于單元陣列平面內(nèi)的寫電流磁場(chǎng)分量Bx隨著與交叉點(diǎn)的距離的增大而非常迅速地減小。
文檔編號(hào)H01L27/105GK1509474SQ01818274
公開(kāi)日2004年6月30日 申請(qǐng)日期2001年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月10日
發(fā)明者M·弗賴塔格, H·霍恩格斯米德, D·戈?duì)? S·拉梅斯, M 弗賴塔格, 匪, 鞲袼姑椎 申請(qǐng)人:因芬尼昂技術(shù)股份公司