專利名稱：多位磁性存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(“MRAM”)是可用于短期和長(zhǎng)期數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的非易失存儲(chǔ)器。MRAM具有比短期存儲(chǔ)器如DRAM、SRAM和閃爍存儲(chǔ)器低的功耗。MRAM可進(jìn)行比常規(guī)長(zhǎng)期存儲(chǔ)器件如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器更快的讀和寫(xiě)操作。此外，MRAM比硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器更緊湊和消耗更低的功率。MRAM還可用于埋置應(yīng)用，如超快處理器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
背景技術(shù)：
典型的MRAM器件包括存儲(chǔ)單元陣列、沿著存儲(chǔ)單元的行延伸的字線、和沿著存儲(chǔ)單元的列延伸的位線。每個(gè)存儲(chǔ)單元位于字線和位線的交叉部位。
存儲(chǔ)單元可以以隧道磁阻(TMR)器件如自旋相關(guān)隧道(SDT)結(jié)為基礎(chǔ)。典型的SDT結(jié)包括釘扎層、檢測(cè)層以及夾在釘扎層和檢測(cè)層之間的絕緣隧道阻擋層。釘扎層具有固定的磁化取向，以便在感興趣范圍內(nèi)存在施加磁場(chǎng)時(shí)不旋轉(zhuǎn)。檢測(cè)層具有可以在兩個(gè)方向的任一個(gè)方向取向的磁化與釘扎層磁化相同的方向，或與釘扎層磁化相反的的方向。如果釘扎層和檢測(cè)層的磁化處于相同方向，則可以說(shuō)SDT結(jié)的取向是“平行的”。如果釘扎層和檢測(cè)層的磁化處于相反方向，則可以說(shuō)SDT的取向是“反平行的”。這兩個(gè)穩(wěn)定取向即平行和反平行可對(duì)應(yīng)邏輯值“0”和“1”。
釘扎層的磁化取向可通過(guò)下層反鐵磁(AF)釘扎層來(lái)固定。AF釘扎層提供大的交換場(chǎng)，該交換場(chǎng)保持釘扎層的磁化在一個(gè)方向。在AF層的下面通常是第一和第二籽晶層。第一籽晶層允許第二籽晶層以(111)晶體結(jié)構(gòu)取向生長(zhǎng)。第二籽晶層建立用于AF釘扎層的(111)晶體結(jié)構(gòu)取向。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，存儲(chǔ)單元包括具有鐵磁材料的導(dǎo)體包層；在包層導(dǎo)體的相反側(cè)上的第一和第二間隔層；在第一間隔層上的第一數(shù)據(jù)層；以及在第二間隔層上的第二數(shù)據(jù)層。下面結(jié)合表示本發(fā)明的實(shí)施例的附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的原理，使本發(fā)明的其它方案和優(yōu)點(diǎn)更顯然。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁性存儲(chǔ)器件的示意圖。
圖1a和1b表示磁性存儲(chǔ)器件的不同磁化取向的示意圖。
圖2表示用于磁性存儲(chǔ)器件的數(shù)據(jù)和參考層的磁滯回路的示意圖。
圖3表示在磁性存儲(chǔ)器件上的寫(xiě)操作的示意圖。
圖4a-f表示在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁性存儲(chǔ)器件上的讀操作的示意圖。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MRAM存儲(chǔ)器件的示意圖。
圖6a-6c表示用于讀取根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MRAM存儲(chǔ)器件的方法的示意圖。
圖7表示制造MRAM器件的示意方法。
圖8-11表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的包層導(dǎo)體的示意圖，示出了在制造的不同階段期間的包層導(dǎo)體。
圖12表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的包層導(dǎo)體的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，其中示出了包括第一和第二磁性隧道結(jié)10和20的磁性存儲(chǔ)器件8。第一磁性隧道結(jié)10包括第一數(shù)據(jù)層12、參考層14的上部分14a以及數(shù)據(jù)層12和上部分14a之間的第一絕緣隧道阻擋層16。第一數(shù)據(jù)層12由鐵磁材料制成并具有可在通常沿著其磁化軸的兩個(gè)方向(實(shí)線所示方向和虛線所示的另一方向)中的任一方向取向的磁化(由矢量M1表示)。參考層14的上部分14a也由鐵磁材料制成并具有可在通常沿著其磁化軸的兩個(gè)方向的任一方向取向的磁化(由矢量M3表示)。第一數(shù)據(jù)層12以及參考層14的上部分14a的磁化軸可在相同的方向延伸。
如果第一數(shù)據(jù)層12和參考層14的上部分14a的磁化矢量(M1和M3)指向相同的方向，則第一磁性隧道結(jié)10的取向被認(rèn)為是“平行”(見(jiàn)圖1a)。如果第一數(shù)據(jù)層12和參考層14的上部分14a的磁化矢量(M1和M3)指向相反的方向，則第一磁性隧道結(jié)10的取向被認(rèn)為是“反平行”(見(jiàn)圖1b)。這兩個(gè)穩(wěn)定取向即平行和反平行可對(duì)應(yīng)邏輯值“0”和“1”。
第一絕緣隧道阻擋層16允許在第一數(shù)據(jù)層12和參考層14的上部分14a之間產(chǎn)生量子機(jī)械隧道效應(yīng)。這種隧道現(xiàn)象是與電子自旋相關(guān)的，使第一磁性隧道結(jié)10的電阻是第一數(shù)據(jù)層12和參考層14的上部分14a的磁化矢量(M1和M3)的相對(duì)取向的函數(shù)。例如，如果磁性隧道結(jié)10的磁化取向是平行的，則第一磁性隧道結(jié)10的電阻是第一值(R)，如果該磁化取向是反平行的，則上述電阻為第二值(R1+？R1)。第一絕緣隧道阻擋層16可以由氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氮化硅(Si3N4)、氮化鋁(AlN)、或氧化鎂(MgO)制成。其他的介質(zhì)材料和某些半導(dǎo)體材料也可用于第一絕緣隧道阻擋層16。絕緣隧道阻擋層16的厚度可以在約0.5納米到約3納米范圍內(nèi)。
通常認(rèn)為第一磁性隧道結(jié)10具有1MΩ的標(biāo)稱電阻(R1)和30％的隧道磁阻。如果第一數(shù)據(jù)層磁化矢量(M1)指向左邊，上部分磁化矢量(M3)指向右邊(如圖1b中所示)，磁性隧道結(jié)10的磁化取向?qū)⑹欠雌叫械?，并且磁性隧道結(jié)10的電阻將為R1+？R1或1.3MΩ。如果數(shù)據(jù)層磁化矢量(M1)和參考層磁化矢量(M3)都指向右邊(如圖1a中所示)，則磁性隧道結(jié)10的磁化取向?qū)⑹瞧叫械?，并且磁性隧道結(jié)10的電阻將為R1＝1.0MΩ。
第二磁性隧道結(jié)20包括第二數(shù)據(jù)層22、參考層14的下部分14b以及第二數(shù)據(jù)層22和下部分14b之間的第二絕緣隧道阻擋層24。第二隧道結(jié)20可具有與第一磁性隧道結(jié)10相同的結(jié)構(gòu)。如果結(jié)構(gòu)相同，第二數(shù)據(jù)層22由鐵磁材料構(gòu)成并具有可在通常沿著其磁化軸的兩個(gè)方向中的任一方向取向的磁化(由矢量M2表示)。參考層14的下部分14b也由鐵磁材料制成并具有可在通常沿著其磁化軸的兩個(gè)方向的任一方向取向的磁化(由相同的矢量M3表示)。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之間產(chǎn)生量子機(jī)械隧道效應(yīng)。第二磁性隧道結(jié)20的電阻是第二數(shù)據(jù)層22和參考層14的下部分14b的磁化矢量(M2和M3)的相對(duì)取向的函數(shù)。
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可由如銅或鋁等材料制成。第一和第二導(dǎo)體30和32在相同方向延伸。第三導(dǎo)體34大體垂直于第一和第二導(dǎo)體30和32。
參考層14還包括在第三導(dǎo)體34上的鐵磁包層36。參考層14的上部分14a包括在第三導(dǎo)體34和第一絕緣隧道阻擋層16之間的部分包層36。參考層的下部分14b包括在第三導(dǎo)體34和第二絕緣隧道阻擋層24之間的部分包層36。示出的包層厚度相對(duì)于第三導(dǎo)體34放大了。包層36的厚度可為約1-50nm(通常為4nm)。向第三導(dǎo)體34輸送電流將圍繞第三導(dǎo)體34產(chǎn)生磁場(chǎng)。如果電流流進(jìn)第三導(dǎo)體34，則該磁場(chǎng)使參考層磁化矢量(M3)指向第三導(dǎo)體34的順時(shí)針?lè)较?如圖1所示)。如果電流流進(jìn)相反方向，則該磁場(chǎng)使參考層磁化矢量(M3)指向第三導(dǎo)體34的逆時(shí)針?lè)较?。磁化在上部?4A中指向一個(gè)方向，在下部分14b中指向相反方向。包層36提供磁場(chǎng)的導(dǎo)通路徑。
另外參考圖2，其中示出了用語(yǔ)第一和第二數(shù)據(jù)層12和22的磁滯回路L1和L2。圖2還示出了參考層14和上部分14a和下部分14b的磁滯回路L3。第一和第二數(shù)據(jù)層12和22可具有相同的矯頑力。即，HC1＝HC2。數(shù)據(jù)層12和22的矯頑力(HC1，HC2)比參考層部分14a和14b的矯頑力(HC3)高很多。數(shù)據(jù)層矯頑力(HC1，HC2)可以至少比參考層部分14a和14b的矯頑力(HC3)高2-5倍。例如，數(shù)據(jù)層矯頑力(HC1，HC2)可以為約250e，參考層矯頑力(HC3)可以為約50e。因此，認(rèn)為參考層部分14a和14b比數(shù)據(jù)層12和22“軟”，這是因?yàn)閰⒖紝哟呕噶?M3)更容易倒置。優(yōu)選使參考層部分14a和14b的矯頑力(HC3)盡可能的低。
可以通過(guò)采用不同的位形狀、幾何形狀、成分、厚度等使矯頑力不同。潛在的鐵磁層材料包括鎳鐵(NiFe)、鎳鐵鈷(NiFeCo)、鈷鐵(CoFe)、NiFeCo的其它軟磁合金、摻雜非晶鐵磁合金以及PERMALLOYTM。例如，數(shù)據(jù)層12和22可由如NiFeCo或CoFe的材料構(gòu)成，并且包層36可由鐵磁材料如NiFe構(gòu)成。
磁性隧道結(jié)10和20可具有相同的電阻，但是不限于此。可通過(guò)采用用于絕緣隧道阻擋層16和24的不同厚度和/或材料使磁性隧道結(jié)10和20的電阻不同。下面將介紹具有不同電阻的磁性隧道結(jié)。
磁性隧道結(jié)10和20可作為兩個(gè)獨(dú)立位而操作。在這種雙位結(jié)構(gòu)中，存儲(chǔ)器件8具有四個(gè)可能邏輯值邏輯“00”、邏輯“01”、邏輯“10”和邏輯“11”。在替換方式中，磁性隧道結(jié)可作為位-位條(bit-bitbar)工作。在這種位-位條結(jié)構(gòu)中，存儲(chǔ)器件8具有兩個(gè)可能的邏輯值邏輯“0”和邏輯“1”(如果第一磁性隧道結(jié)10儲(chǔ)存邏輯“1”，則第二磁性隧道結(jié)20儲(chǔ)存邏輯“0”；如果第一磁性隧道結(jié)10儲(chǔ)存邏輯“0”，則第二磁性隧道結(jié)20儲(chǔ)存邏輯“1”)。雙位結(jié)構(gòu)提供比位-位條結(jié)構(gòu)更高的儲(chǔ)存密度。然而，位-位條結(jié)構(gòu)提供自參考讀操作，它可以利用更好的公共模式噪聲抑制和更好的信噪比更快地進(jìn)行操作。
現(xiàn)在參考圖3。用于雙位結(jié)構(gòu)的寫(xiě)操作可通過(guò)向第一、第二和第三導(dǎo)體30、32和34輸送第一、第二和第三寫(xiě)電流(IW1、IW2和IW3)來(lái)進(jìn)行。第一、第二和第三寫(xiě)電流(IW1、IW2和IW3)分別產(chǎn)生圍繞第一、第二和第三導(dǎo)體30、32和34的第一、第二和第三磁場(chǎng)(H1、H2和H3)。第一和第三磁場(chǎng)在組合時(shí)(H1+H3)超過(guò)第一數(shù)據(jù)層12的矯頑力，因此使第一數(shù)據(jù)層12的磁化矢量(M1)設(shè)定在所希望的取向。第一數(shù)據(jù)層磁化矢量(M1)的取向確定儲(chǔ)存在第一磁性隧道結(jié)10中的邏輯值。第二和第三磁場(chǎng)在組合時(shí)(H2+H3)超過(guò)第二數(shù)據(jù)層22的矯頑力，因此使第二數(shù)據(jù)層22的磁化矢量(M2)設(shè)定在所希望的取向。第二數(shù)據(jù)層磁化矢量(M2)的取向確定儲(chǔ)存在第二磁性隧道結(jié)20中的邏輯值。
第一數(shù)據(jù)層磁化矢量(M1)的取向可以獨(dú)立于第二數(shù)據(jù)層磁化矢量(M2)的取向而設(shè)定。這樣，第一和第三寫(xiě)電流的組合(IW1+IW3)可獨(dú)立于第二和第三寫(xiě)電流(IW2+IW3)的組合而施加。
還通過(guò)向第一、第二和第三導(dǎo)體30、32和34輸送第一、第二和第三寫(xiě)電流(IW1、IW2和IW3)來(lái)進(jìn)行用于位-位條結(jié)構(gòu)的寫(xiě)操作。使第一和第二數(shù)據(jù)層12和22的磁化矢量(M1和M2)指向相同方向(左邊或右邊)。在讀操作期間，參考層14的上部分14a中的磁化總是指向參考層的下部分14b中的磁化的相反方向。結(jié)果是，第二磁性隧道結(jié)20儲(chǔ)存在第一磁性隧道結(jié)10中儲(chǔ)存的邏輯值的補(bǔ)數(shù)。
對(duì)于兩種結(jié)構(gòu)，可以依次寫(xiě)第一和第二磁性隧道結(jié)10和20。例如，第一和第二寫(xiě)電流(IW1或IW2)輸送給第一或第二導(dǎo)體30或32，并利用小延遲(例如，20ns)將第三寫(xiě)電流(IW3)輸送給第三導(dǎo)體34。結(jié)果是，首先施加硬軸場(chǎng)以利用它在沿著磁化軸對(duì)準(zhǔn)的磁化矢量(M1和M2)上產(chǎn)生的更高力矩(磁化軸和硬軸由標(biāo)以EA和HA的箭頭表示)。
如果三個(gè)寫(xiě)電流的幅度相等，則圍繞第一和第二導(dǎo)體30和32的磁場(chǎng)比圍繞第三導(dǎo)體34的磁場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)層22的影響更大(因?yàn)椴糠执艌?chǎng)使鐵磁包層36飽和)。第三寫(xiě)電流(IW3)的幅度可比第一和第二寫(xiě)電流(IW1和IW2)的幅度更大，以便補(bǔ)償鐵磁包層36的飽和并在磁化矢量(M1和M2)上產(chǎn)生更高的力矩。
讀操作一般可通過(guò)向第三導(dǎo)體34輸送讀電流進(jìn)行。讀電流產(chǎn)生圍繞第三導(dǎo)體34的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)使參考層14的上部分14a的磁化指向參考層14的下部分14b磁化的相反方向。由于參考層14的矯頑力(HC3)很低，因此讀電流的幅度也很低。這樣，得到的磁場(chǎng)不影響數(shù)據(jù)層12或22的磁化。
下面參考圖4a?？赏ㄟ^(guò)讀取一個(gè)磁性隧道結(jié)10或20，然后讀取另一個(gè)磁性隧道結(jié)來(lái)進(jìn)行雙位結(jié)構(gòu)的讀操作。為讀取第一磁性隧道結(jié)10，在第一導(dǎo)體30的一端和第三導(dǎo)體34上的節(jié)點(diǎn)(N)之間施加電壓(V)。結(jié)果是，檢測(cè)電流(IS10)流過(guò)第一磁性隧道結(jié)10。同時(shí)，讀電流(IR)輸送給第三導(dǎo)體34。讀電流(IR)設(shè)定參考層14的磁化矢量(M3)。檢測(cè)和讀電流(IS10+IR)流進(jìn)節(jié)點(diǎn)(N)。由于讀電流(IR)的幅度是已知的，因此可以確定檢測(cè)電流(IS10)的幅度以及第一磁性隧道結(jié)10的電阻和邏輯狀態(tài)。檢測(cè)電流(IS10)與第一磁性隧道結(jié)10的電阻成反比。因此IS10＝V/R1或IS10＝V/(R1+？R1)。第二磁性隧道結(jié)20的邏輯狀態(tài)可用相同方式確定，如圖4b所示(其中IS20表示流過(guò)第二磁性隧道結(jié)20的檢測(cè)電流)。
雙位結(jié)構(gòu)中的磁性隧道結(jié)10和20可以同時(shí)讀取。圖4c表示同時(shí)讀取磁性隧道結(jié)10和20的一種方式。第一導(dǎo)體30連接到第一讀出放大器410的第一輸入端，第二導(dǎo)體32連接到第二讀出放大器420的第一輸入端。當(dāng)電壓(V)施加于讀出放大器410和420的第二輸入端時(shí)，讀出放大器410和420在它們的第一輸入端產(chǎn)生偏置電壓。這些偏置電壓使檢測(cè)電流(IS10和IS20)流過(guò)第一和第二磁性隧道結(jié)10和20。第一讀出放大器410檢測(cè)其第二輸入端的電流(IS10)，并產(chǎn)生與檢測(cè)電流(IS10)成比例的輸出電壓。第一讀出放大器輸出電壓表示第一磁性隧道結(jié)10的電阻狀態(tài)。第二讀出放大器420檢測(cè)在其第二輸入端上的電流(IS20)，并產(chǎn)生與該檢測(cè)電流(IS20)成比例的輸出電壓。第二讀出放大器輸出電壓表示第二磁性隧道結(jié)20的電阻狀態(tài)。
圖4d表示同時(shí)讀取磁性隧道結(jié)10和20的另一種方式。第一磁性隧道結(jié)10具有兩個(gè)電阻狀態(tài)(R1，R1+？R1)，第二磁性隧道結(jié)20具有兩個(gè)電阻狀態(tài)(R2，R2+？R2)。在讀操作期間，第一電位(V)施加于第一和第二導(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)果是，第一檢測(cè)電流(IS10)流過(guò)第一磁性隧道結(jié)10并進(jìn)入節(jié)點(diǎn)(N)，并且第二檢測(cè)電流(IS20)流過(guò)第二磁性隧道結(jié)20并進(jìn)入節(jié)點(diǎn)(N)。測(cè)量流進(jìn)節(jié)點(diǎn)(N)的電流總和(IS10+IS20+IR)可推斷器件8的電阻狀態(tài)。推斷的電阻狀態(tài)將為R1+R2、R1+R2+？R1、R1+R2+？R2、或R1+R2+？R1+？R2。只要？R1是不同于？R2而可檢測(cè)的，可以讀取四個(gè)不同電阻狀態(tài)并因此讀取四個(gè)不同邏輯電平。
參見(jiàn)圖4e和4f，通過(guò)向第三導(dǎo)體34輸送讀電流(IR)，同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)磁性隧道結(jié)10和20施加電壓(V)，同時(shí)檢測(cè)流過(guò)磁性隧道結(jié)10和20的電流(IS10+IS20)，并比較檢測(cè)電流(IS10+IS20)，由此可進(jìn)行位-位條結(jié)構(gòu)的讀操作。讀電流(IR)產(chǎn)生圍繞第三導(dǎo)體34的磁場(chǎng)(H3)和使參考層磁化矢量(M3)假設(shè)為公知取向。如圖4e所示，第一磁性隧道結(jié)10的磁化取向是反平行的，第二磁性隧道結(jié)20的磁化取向是平行的。因此，第一磁性隧道結(jié)10的電阻高于第二磁性隧道結(jié)20的電阻，并且第一磁性隧道結(jié)10的檢測(cè)電流(IS10)高于第二磁性隧道結(jié)20的檢測(cè)電流(IS20)。檢測(cè)電流(IS10和IS20)的比較表示器件8存儲(chǔ)邏輯“1”。
如圖4f所示，第一磁性隧道結(jié)10的磁化取向是平行的，并且第二磁性隧道結(jié)20的磁化取向是反平行的。因此，第一磁性隧道結(jié)10的電阻小于第二磁性隧道結(jié)20的電阻，并且第一磁性隧道結(jié)10的檢測(cè)電流(IS10)小于第二磁性隧道結(jié)20的檢測(cè)電流(IS20)。檢測(cè)電流(IS10和IS20)的比較表示器件8存儲(chǔ)邏輯“0”。
現(xiàn)在參考圖5，其中示出了MRAM器件110。MRAM器件110包括存儲(chǔ)單元114的陣列112。每個(gè)存儲(chǔ)單元114包括第一和第二磁性隧道結(jié)10和12。存儲(chǔ)單元114在行和列方向排列，并且行沿著x方向延伸，列沿著y方向延伸。為簡(jiǎn)化MRAM器件110的表示，只示出了相對(duì)少量的存儲(chǔ)單元114。實(shí)際上，可采用任何尺寸的陣列。
字線116延著x方向延伸。每個(gè)字線116包括用鐵磁材料35覆蓋的第三導(dǎo)體34。每個(gè)字線116與一行第一絕緣隧道阻擋層16(第一磁性隧道結(jié)10)和一行第二絕緣隧道阻擋層24(第二磁性隧道結(jié)20)接觸。第一和第二位線118和120沿著y方向延伸。每個(gè)第一位線118包括與第一數(shù)據(jù)層12(第一磁性隧道結(jié)10)的列接觸的第一導(dǎo)體30。每個(gè)第一磁性隧道結(jié)10位于字線116和第一位線118的交叉部位。每個(gè)第二磁性隧道結(jié)20位于字線116和第二位線120的交叉部位。
MRAM器件110還包括第一和第二行解碼器122a和122b、第一和第二列解碼器124a和124b、以及讀/寫(xiě)電路126。在讀和寫(xiě)操作期間解碼器122a、122b、124a和124b選擇字線和位線116、118和120。被選擇的第一磁性隧道結(jié)10位于被選擇字線116和被選擇第一位線118的交叉部位。被選擇的第二磁性隧道結(jié)20位于被選擇字線116和被選擇第二位線120的交叉部位。
讀/寫(xiě)電路126包括電流源128，用于在寫(xiě)操作期間向被選擇字線和位線116、118和120輸送寫(xiě)電流。電流源128還在讀操作期間輸送讀電流。讀/寫(xiě)電路126包括讀出放大器130、接地連線132、和在讀操作期間施加電壓的電壓源134。
讀/寫(xiě)電路126可構(gòu)成為進(jìn)行雙位或位-位條操作。在用于位-位條結(jié)構(gòu)的寫(xiě)操作期間，讀/寫(xiě)電路126將邏輯值寫(xiě)入被選擇存儲(chǔ)單元114的磁性隧道結(jié)10和20之一中，并將邏輯值的COMPLIMENT寫(xiě)入磁性隧道結(jié)10和20的另一個(gè)中。在雙位結(jié)構(gòu)的寫(xiě)操作期間，讀/寫(xiě)電路126將分離的邏輯值寫(xiě)入被選擇存儲(chǔ)單元114的第一和第二磁性隧道結(jié)10和20中。
下面參考圖6a，其中示出了雙位和位-位條結(jié)構(gòu)的讀操作。通過(guò)在電流源128和接地連線132之間連接字線116而選擇它。通過(guò)將第一和第二位線118和120連接到第一和第二讀出放大器410和420的第一輸入端而選擇它們。陣列電壓(Va)施加于第一和第二讀出放大器410和420的第二輸入端，在第二輸入端產(chǎn)生電壓(Va’)。約等于陣列電壓(Va)的這個(gè)電壓(Va’)使檢測(cè)電流(IS10和IS20)流過(guò)。第一檢測(cè)電流(IS10)從第一放大器410流過(guò)第一磁性隧道結(jié)10并進(jìn)入接地連線132。第二檢測(cè)電流(IS20)從第二放大器420流過(guò)第二磁性隧道結(jié)20并進(jìn)入接地連線132。每個(gè)讀出放大器410和420產(chǎn)生與在其第一輸入端的檢測(cè)電流成比例的輸出電壓。
在替換實(shí)施例中，被選擇第一和第二位線116和118可以多路復(fù)用于一個(gè)讀出放大器。一個(gè)讀出放大器將進(jìn)行兩個(gè)分開(kāi)的讀操作。
對(duì)于雙位結(jié)構(gòu)，可采用第一比較器比較第一讀出放大器410的輸出與參考電壓。如果第一讀出放大器410的輸出大于參考電壓，則推斷為第一邏輯值，如果第一讀出放大器410的輸出小于參考電壓，則推斷為第二邏輯值。第二磁性隧道結(jié)20的邏輯值可用相同方式確定。
對(duì)于位-位條結(jié)構(gòu)，可通過(guò)比較器比較讀出放大器410和420的輸出。比較器的輸出表示第一磁性隧道結(jié)10的電阻狀態(tài)是否高于第二磁性隧道結(jié)20的電阻狀態(tài)。如果第一讀出放大器410的輸出大于第二讀出放大器420的輸出，則推斷為第一邏輯值。如果第一讀出放大器410的輸出小于第二讀出放大器420的輸出，則推斷為第二邏輯值?？刹捎貌罘肿x出放大器代替該比較器以及第一和第二讀出放大器410和420。
在陣列112中，磁性隧道結(jié)10和20通過(guò)很多平行路徑一起耦合。在一個(gè)交叉部位看到的電阻等于在其它行和列中的磁性隧道結(jié)10和20的電阻和磁性隧道結(jié)平行的交叉部位的磁性隧道結(jié)10的電阻。因此，磁性隧道結(jié)10的陣列112可以以兩級(jí)交叉部位電阻器網(wǎng)絡(luò)為特征。
由于磁性隧道結(jié)10和20作為交叉部位電阻器網(wǎng)絡(luò)而連接，因此寄生或潛行路徑電流可能干擾被選擇磁性隧道結(jié)10和20上的讀操作。阻擋器件如二極管或晶體管可連接到磁性隧道結(jié)10和20。這些阻擋器件可阻擋寄生電流。
在替換方式中，可采用在受讓人的美國(guó)專利US6259644中公開(kāi)的“等電位”法處理寄生電流。在美國(guó)專利US6259644中公開(kāi)的等電位法包括將電位施加于被選線，并將相同電位施加于未選位線和未選字線的子系統(tǒng)中。寄生電流被分流以便不干擾檢測(cè)電流。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，等電位可應(yīng)用于如下陣列。被選字線116設(shè)定為陣列電壓(Va)，被選位線118和120連接到地132，由此檢測(cè)電流(IS10，IS20)流過(guò)第一和第二磁性隧道結(jié)10和20。陣列電壓(Va)還施加于所有未選字線和位線116、118和120。因而，寄生電流不會(huì)干擾檢測(cè)電流。
等電位法的另一實(shí)施例示于圖6b中。在本例中，陣列112的每個(gè)存儲(chǔ)單元114具有四個(gè)可檢測(cè)電阻狀態(tài)(R1+R2、R1+R2+？R1、R1+R2+？R2、或R1+R2+？R1+？R2)。陣列電壓(Va)施加于讀出放大器610的第一輸入端，被選字線116連接到讀出放大器610的第二輸入端。讀出放大器610的第二輸入端將電壓(Va’)耦合到被選字線116，其中Va’＝Va。被選位線118和120連接到地132。檢測(cè)電流(IS10，IS20)流過(guò)第一和第二磁性隧道結(jié)10和20。讀出放大器610通過(guò)產(chǎn)生與字線116上的總電流(IS10＋I(xiàn)S20)成比例的輸出電壓確定被選存儲(chǔ)單元114的電阻狀態(tài)。
為使寄生電流最小化，電壓V1施加于所有上部未選位線118，電壓V2施加于所有下部未選位線120。允許所有未選字線116浮置。寄生電流(IS10，IS20)流過(guò)施加電壓V1和V2的結(jié)10和20。電壓V1和V2可設(shè)定為陣列電壓(Va)，由此V1＝V2＝Va。
圖6C表示陣列112的每個(gè)存儲(chǔ)單元114具有四個(gè)可檢測(cè)電阻狀態(tài)的另一實(shí)施例。讀出放大器610的第一和第二輸入端分別連接到地(GND)和被選字線116。陣列電壓(Va)施加于被選位線118和120。電壓V1施加于所有上部未選位線118，電壓V2施加于所有下部未選位線120。V1＝V2＝GND。在替換實(shí)施例中，V1＝？，V2＝-？。其中？是在地(GND)上面只有幾(例如幾十)毫伏的小電位。因此，GND＜？＜＜Va。通過(guò)用這種方式偏置陣列的上部和下部，寄生電流(IS10，IS20)不會(huì)干擾檢測(cè)電流。
圖7表示形成MRAM器件的示意方法。在襯底上形成包括行解碼器122a和122b、列解碼器124a和124b以及讀/寫(xiě)電路126的電路(方框210)。在襯底上淀積第一位線118的列(方框212)。第一位線118之間的空間用介質(zhì)材料填充。
淀積磁性材料的第一疊置體(方框214)。該疊置體包括在第一位線118上的鐵磁材料、和在鐵磁材料上的絕緣隧道阻擋材料。將第一疊置體構(gòu)圖成位(方框216)，并用介質(zhì)出來(lái)填充位線之間的空間。
在被構(gòu)圖的第一疊置體上形成字線116(方框218)，并用介質(zhì)材料填充字線116之間的空間。還形成到襯底中的電路的互連(例如通路)。下面詳細(xì)說(shuō)明字線116的制造。
淀積磁性材料的第二疊置體(方框220)。該疊置體包括在字線116上的鐵磁材料、以及在鐵磁材料上的絕緣隧道阻擋材料。將第二疊置體構(gòu)圖成位(方框222)，并用介質(zhì)材料填充位之間的空間。
在被構(gòu)圖的第二疊置體上形成第二位線120(方框224)，并用介質(zhì)材料填充第二位線120之間的空間。還形成到達(dá)襯底中的電路的互連(例如通路)。
下面參照?qǐng)D8-11，其中示出了用于制造字線1116的銅鑲嵌工藝。在形成在第一疊置體上的介質(zhì)材料中刻蝕溝槽310(圖8)。利用各向同性工藝淀積鐵磁材料薄層36，以便溝槽310的側(cè)壁被涂敷成與溝槽310的底部大致相同的厚度(圖9)。該鐵磁材料是可滲透的以便足以用做磁芯，并且在沒(méi)有斷開(kāi)或太多空隙的情況下該鐵磁材料圍繞所有截面是連續(xù)的。然后利用電鍍或其它合適手段用銅34填充溝槽310。然后使該結(jié)構(gòu)平面化。該平面化結(jié)構(gòu)示于圖10中。在平面化結(jié)構(gòu)上淀積鐵磁材料層36(圖11)。通過(guò)使該層的厚度與覆蓋溝槽側(cè)壁和底部的鐵磁材料的厚度不同，可按照希望那樣控制磁性能。
雖然作為完全包覆的形式(即在其頂部、底部和側(cè)壁的包覆)示出了字線116，但不限于此。字線可以部分包覆。
下面參照?qǐng)D12，其中示出了部分包覆字線216的例子。只有銅芯34的頂部和底部用鐵磁材料36包覆。該頂部和底部包層用做數(shù)據(jù)層。
雖然前面結(jié)合磁性隧道結(jié)介紹了本發(fā)明。但是本發(fā)明不限于此。本發(fā)明可應(yīng)用于具有相同操作特性的其它類型磁阻器件。例如，本發(fā)明可應(yīng)用于巨型磁阻(GMR)器件。GMR器件具有與TMR器件相同的基本結(jié)構(gòu)，除了數(shù)據(jù)層和參考層由導(dǎo)電非磁性金屬層而不是絕緣隧道阻擋層分開(kāi)之外。示意間隔層金屬包括金、銀和銅。數(shù)據(jù)和參考磁化矢量的相對(duì)取向影響GMR器件的面內(nèi)電阻。
本發(fā)明不限于GMR和TMR器件。例如，本發(fā)明可應(yīng)用于頂部和底部自旋閥。
雖然前面已經(jīng)介紹和示出了本發(fā)明的幾個(gè)特殊實(shí)施例，但是本發(fā)明不限于這里所述和所示的特殊形式或部件的設(shè)置。本發(fā)明可根據(jù)下列權(quán)利要求書(shū)限定。
權(quán)利要求
1.一種存儲(chǔ)單元(8)，包括用鐵磁材料(36)包覆的導(dǎo)體(34)；在包覆導(dǎo)體的相對(duì)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)；和在第二間隔層(24)上的第二數(shù)據(jù)層(22)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的存儲(chǔ)單元，其中導(dǎo)體(34)是完全被包覆。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的存儲(chǔ)單元，其中只有導(dǎo)體(34)的頂部和底部被包覆。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的存儲(chǔ)單元，其中包覆導(dǎo)體(14)是軟磁的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的存儲(chǔ)單元，其中第一和第二數(shù)據(jù)層(12，22)的矯頑力基本上高于包覆導(dǎo)體(14)的矯頑力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的存儲(chǔ)單元，其中第一和第二數(shù)據(jù)層(12，22)由不同于導(dǎo)體(34)上的包層(36)的鐵磁材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的存儲(chǔ)單元，其中間隔層(16，24)是絕緣隧道阻擋層，由此第一數(shù)據(jù)層和間隔層(12，16)以及包覆導(dǎo)體(14a)形成第一磁性隧道結(jié)，并且第二數(shù)據(jù)層和間隔層(22，24)以及包層導(dǎo)體(14b)形成第二磁性隧道結(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的存儲(chǔ)單元，該存儲(chǔ)單元具有至少四個(gè)可檢測(cè)的不同邏輯狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的存儲(chǔ)單元，還包括在第一數(shù)據(jù)層(12)上的第一導(dǎo)體(30)和在第二數(shù)據(jù)層(22)上的第二導(dǎo)體(32)，包覆導(dǎo)體(14)垂直于第一和第二導(dǎo)體(30，32)。
10.一種在權(quán)利要求7的存儲(chǔ)單元上進(jìn)行讀操作的方法，該方法包括向包覆導(dǎo)體(14)施加讀電流(IR)，并使第一和第二電流(IS10，IS20)流過(guò)第一和第二磁性隧道結(jié)。
全文摘要
一種存儲(chǔ)單元(8)包括用鐵磁材料包覆的導(dǎo)體(34)；在包覆導(dǎo)體(14)的相對(duì)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)；和在第二間隔層(24)上的第二數(shù)據(jù)層(22)。
文檔編號(hào)H01L27/105GK1480946SQ0313849
公開(kāi)日2004年3月10日 申請(qǐng)日期2003年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月3日
發(fā)明者M·沙馬, T·C·安東尼, L·T·特蘭, M 沙馬, 安東尼, 特蘭 申請(qǐng)人:惠普開(kāi)發(fā)有限公司