CN1637928A - 磁存储器件 - Google Patents

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    • G11C11/15Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers

Abstract

一种磁随机存取存储器件(MRAM)(100,200,300),它包括在磁场作用下在两个状态之间转换的磁存储单元(102,202,302)。MRAM还包括电位线(104,212,312),它连接到所述磁存储单元(102,202,302),用以产生磁场。电位线(104,212,312)包括导电元件(110,214,314)和用于将与所述磁场关联的磁通量引向磁存储单元(102,202,302)的磁性元件(112,216,316)。绝热体(114,218,318)位于导电部分(110,21,314)和磁存储单元(102,202,302)之间,并且磁性元件(112,216,316)具有至少一个从导电元件(110,214,314)延伸到磁存储单元(102,202,302)的引导部分,以便引导绝热体(114,218,318)的至少一部分周围的磁通量。

Description

磁存储器件
技术领域
本发明涉及磁存储器件,更具体地说,涉及在磁存储器件中存储数据的方法和结构。
背景技术
诸如磁随机存取存储器件(MRAM)等非易失性存储器件用来代替如动态随机存取存储器件(DRAM)等易失性存储器件正受到人们的关注。这种MRAM器件包括各MRAM单元的阵列,MRAM单元可以是隧道效应磁阻存储器(TMR)单元、大磁阻存储器(CMR)单元或巨磁阻存储器(GMR)单元。
一般来说,MRAM单元包括数据层和参考层。数据层由磁性材料组成,在写入操作期间数据层的磁化可以通过外加磁场在两个相反的状态之间转换,这样就可存储二进制信息。参考层通常是由磁性材料组成,其中磁化是锁定的,使得加到数据层并部分穿透到参考层的磁场强度不足以转换参考层中的磁化。
例如在TMR单元中,数据层和参考层是用薄介质层分隔开的,介质层设置成形成隧道结。电子隧穿介质层的概率取决于数据层中的磁化方向与参考层中的磁化方向的关系。所以,所述结构是”磁阻性”的,存储的信息可以从通过存储单元的隧道电流的幅度导出。
一般来说,最好磁存储单元尽可能的小,以增加存储器密度和降低成本。但随着单元越来越小,热稳定性问题就更为重要了。为了确保存储的信息不至因环境影响所引发的随机转换而丢失,小磁性存储单元就必需设置成其转换磁化所需的磁场强度要高于较大的存储单元。不幸的是,需要产生较大的场强使写入操作期间存储单元的转换更为困难。
已知增加磁存储单元的温度可降低转换所需的磁场强度。例如当电流通过磁存储单元时,在单元中会产生热。但所产生的热很容易通过位线从存储单元中传导出去,故而不能利用来促进磁存储单元的转换。
所以需要有一种磁存储器件,其中可以减小磁存储单元的热损耗,从而这种热可利用来促进转换。
发明内容
简要地说,本发明的磁随机存取存储器件(MRAM)实施例包括能在磁场作用下在两个状态之间转换的磁存储单元。MRAM还包括连接到磁存储单元的电位线,用以产生磁场。电位线包括导电元件和用于将与磁场关联的磁通量引向磁存储单元的磁性元件。在所述导电部分和磁存储单元之间设置绝热体,磁介质具有至少一个从导电元件延伸到磁存储单元的引导部分,以便引导至少所述绝热体一部分周围的磁通量。
从以下对本发明实施例的说明中可以更充分地理解本发明。以下参阅附图来描述本发明。
附图说明
图1是显示按照具体实施例的磁存储器件的透视图;
图2是按照另一具体实施例的磁存储器件的存储单元的示意截面图;
图3是按照又一具体实施例的磁存储器件的存储单元的示意截面图;
图4是包括图1所示磁存储器件的计算机系统的示意图;
图5是方法实施例的流程图;以及
图6是又一方法实施例的流程图。
具体实施方式
图1显示磁随机存取存储器件(MRAM),文中用总标号100来代表。MRAM100包括许多磁存储单元102。在此例中,每个存储单元102是一个隧道效应磁阻存储器(TMR)单元。每个单元102设置在导电位线104上。每个磁存储单元102还连接到字线106上(为了清楚起见,图中仅仅示出一根字线106),使得各磁存储单元被夹在位线104和字线106之间。
图1示意地示出产生通过位线104的电流的电路单元108。所述电路单元也可以产生通过字线106的电流(为清晰起见,图中仅示出位线104到电路单元108的电连接,字线106的电连接未示出)。由于磁存储单元102具有有限的电阻率,所以电流也可通过相应的磁存储单元102在字线106和位线104之间流动。
位线104包括导电芯线110和包覆导电芯线110的磁性元件112。导电芯线110由例如铜等高导电率材料制成并输送电流,所述电流产生转换单元102所需的磁场。所述器件还包括绝热体114。
磁性包覆层将与在导电芯线110中产生的磁场关联的磁通量引导到磁存储单元,以便有足够的磁场强度来促进磁存储单元的转换。
所述器件100还包括读出电路,用来在读出操作期间检测所选磁存储单元102的电阻。在读出操作期间,将恒定电源电压或地电位加到位线104上。可以由外部电路提供所述恒定电源电压。为简化说明,未示出所述读出电路。
器件100可以包括具有任意数量存储单元102的阵列,所述阵列设置成任意行数和列数。此外,器件100可以包括其它磁存储单元,例如大磁阻存储单元(CMR)或巨磁阻存储单元(GMR)。
图2显示本发明的又一个MRAM实施例,文中用总标号200来代表。图2更详细地示出MRAM200的一部分和一个存储单元202。存储单元202包括数据层204和参考层206。参考层206由磁性材料形成,其磁化方向是锁定的。数据层由磁性材料形成,其磁化方向可以随外加磁场的变化而转换。夹在数据层204和参考层206之间的是薄介质层208,使得当加上适当的电位时,隧道电流将流过介质层。
一般来说数据层204的磁化可以具有两个相反的方向,以便可以随磁场方向的变化而存储二进制信息。
存储单元的隧道效应概率以及其有效电阻取决于数据层204中的磁化方向与参考层206中的磁化方向的关系。所以,有可能从隧道电流(所述电流取决于存储单元202的电阻)来确定数据层中的磁化取向。
存储单元202夹在字线210和位线212之间。当电流加在位线212上时,位线212周围就会有磁场,所述磁场就可用来转换数据层204的磁化状态。每个磁存储单元可以包括多个附加层。
位线212包括导电芯线214和包覆导电芯线214的磁性元件216。导电芯线214由例如铜等高导电率材料形成,并输送电流,所述电流产生转换数据层204的磁化所需的磁场。所述器件还包括绝热体218。磁性包覆层216具有两个末端引导部分,在此实施例中,它们和数据层204相接触并包覆绝热体218。
磁性包覆层将与在导电芯线214中产生的磁场关联的磁通量引导到磁存储单元。而且,由于末端引导部分将磁通量引导到存储单元附近,所以可以将位线的导电芯线214设置在稍远离磁存储单元202处。因此,与先有技术的器件相比较,热从磁存储单元逸出到导电芯线的面积减小。因此减少了存储单元的热损耗,更多的热量可以利用来促进磁存储单元的转换。而且,由于在导电芯线214和数据层204之间设置了绝热体218,所以进一步减小了存储单元的热损耗。
位线212的磁包覆层216在此实施例中具有基本上是U形的截面形状,所述U形截面的腿与数据层204相接触,这样,导电芯线214被磁性包覆层216和绝热体218所包围,而绝热体218被芯线214,磁性包覆层216和数据层204所包围。
为清晰起见,图2仅示出器件200的一部分。下面将指出,整个器件还包括其它的特征,例如分别用字线和位线210和212连接的磁存储单元202阵列。此外,下面将指出,每个磁存储单元可以包括多个附加层,例如顶盖层、AF层和籽晶层等。
现参阅图3来说明按照另一实施例的MRAM。图3显示器件300的一部分的截面图,所述器件300包括存储单元302,存储单元302中有数据层304、介电层306和参考层308。存储单元302与字线310相接触。
在此实施例中,提供位线312,它包括导电芯线314和磁性包覆层316。导电芯线314和磁性包覆层316与图2所示以及以上说明的类似。绝热体318设置在芯线314和磁存储单元302之间。绝热体318与图2所示的类似。磁性包覆层316包覆导电芯线314,但在此实施例中,它不与数据层304相接触。
附加的热和电绝缘体320设置在磁性包覆层316、绝热体318和磁存储单元302之间。在此例中,热绝缘层320和绝热体318互相接触,下面将指出,热绝缘介质318和320两者可以由一种材料整体形成。薄传感导体322也设置在数据层304和热绝缘层320之间。
在此实施例中,U形截面包覆层316的腿面对数据层304并与热绝缘层320相接触。在此实施例中,与在导电芯线314中产生的磁场相关联的磁通量被引导通过包覆层316的腿,然后穿透热绝缘层320和薄传感导体322,再进入数据层304。
由于磁性包覆层316不与数据层304相接触,所以可以进一步减少磁存储单元302的热损耗。在此实施例中,薄传感导体322与数据层304接触,以提供电连接供在读出操作中读出磁存储单元。传感导体322的厚度小于50nm,通常在5到20nm的范围内。在此例中,传感导体322由导热率较低的钛构成,以便限制通过传感导体322的热损耗。下面将指出,可以在磁存储单元302的磁性材料和位线312之间设置其它层。
为清晰起见,图3仅示出器件300的一部分。所述器件包括分别由字线和位线(如310和312)连接的磁存储单元302的阵列。
在上述两个实施例中,磁性包覆层216和316可由适合的磁性材料构成,而在这些例子中是由镍铁和钴铁合金构成。导电芯线214和314由适合的导电材料构成,例如铜。在上述实施例中,磁性包覆层216和316的厚度大约为10nm,而芯线214和314的截面积大约为100×200nm。绝热材料218和318以及热绝缘层320由SiO2或氮化硅构成,但也可由任何其它合适的绝热材料构成。
在图2所示的实施例中,绝热体218的厚度为100nm。在图3所示的实施例中,绝热体318的厚度为100nm,而绝热材料320的厚度为50nm。
可以按照以下方法制造分别在图2和图3中示出的位线212和312。在镶嵌(Damascene)工艺过程中,先在介质衬底中刻蚀沟槽。然后在沟槽中衬上磁性包层材料,再淀积铜以便填满沟槽。在化学机械抛光(CMP)过程中将所述结构磨平。然后最好通过CMP过程、湿法化学刻蚀或离子刻蚀将铜从结构顶部去除掉。然后用绝热材料填满铜中留下的凹陷处。这最后的步骤又涉及CMP过程,以形成平整表面,仅有磁性包层材料和绝热材料(如果是位线212)暴露出来。如果是位线312,这最后的步骤涉及到将绝缘层320淀积到平整表面的上面。然后利用业界的已知技术将磁存储单元制造在衬底上和位线上。
图4显示利用图1所示存储器件的计算机系统400。计算机系统400具有主板402,主板402连接到中央处理单元404和磁存储器件阵列406。磁存储器件阵列406包括如图1所示的磁存储器件。磁存储器件阵列406和中央处理单元404连接到公共总线408。计算机系统400还具有许多其它组件,为清晰起见,在此未示出。
图5说明在磁存储器件中,如图1所示的器件100中,存储数据的方法实施例。所述方法包括:步骤502:加热磁存储单元;步骤504:通过所述器件的位线加电流,以产生磁场;以及步骤506:将与磁场关联的磁通量通过绝热体上的磁性元件引导到磁存储单元,以便促进所述单元的转换。
图6说明为磁存储器件制造导体例如位线104的方法实施例。所述方法包括:步骤602:在衬底上刻蚀沟槽;步骤604:用包层材料包覆此沟槽;步骤606:将导电材料填入包覆的沟槽中;步骤608:从填满的沟槽中去除一部分导电材料,以便在导电材料中形成沟道;以及步骤610:用绝热材料填满所述沟道。
虽然已参阅具体实例对本发明作了说明,但本专业的技术人员应理解本发明可以用许多其它形式来实现。例如,磁存储单元可以是大磁阻存储器(CMR)单元或巨磁阻存储器(GMR)单元。
此外,磁性元件可以不包覆位线的芯线。例如,位线可以不包括芯线,而其本身可以由磁性元件构成。此外,绝缘材料可以设置在字线和磁存储单元之间且字线也可以包括围绕部分绝热体的包层材料。而且,下面将指出,不一定需要将器件200和300的各层像图2和3所示那样对准。例如,每个磁性元件216和316的末端引导部分中的至少一个可以分别不与绝缘材料218和318相接触,以便将磁通量不对称地引导到相应的磁存储单元。

Claims (10)

1.一种磁随机存取存储器件(MRAM)(100,200,300),它包括:
磁存储单元(102,202,302),它可以在磁场作用下在两个状态之间转换;
电位线(104,212,312),它连接到所述磁存储单元(102,202,302),用以产生所述磁场,所述电位线(104,212,312)包括导电元件(110,214,314)和用于将与所述磁场关联的磁通量引向所述磁存储单元(102,202,302)的磁性元件(112,216,316);
绝热体(114,218,318),它设置在所述导电部分(110,214,314)和所述磁存储单元(102,202,302)之间,并且所述磁性元件(112,216,316)具有至少一个引导部分,所述至少一个引导部分从所述导电元件(110,214,314)延伸到所述磁存储单元(102,202,302)以便引导所述绝热体的至少一部分周围(114,218,318)的磁通量。
2.如权利要求1所述的MRAM,其中:
所述至少一个引导部分沿着所述绝热体(114,218,318)的一部分延伸。
3.如权利要求1所述的MRAM,其中:
所述磁性元件(112,216,316)和所述导电元件(110,214,314)用一种磁性和导电材料整体形成。
4.如权利要求1所述的MRAM,其中:
所述导电元件(110,214,314)是导电芯线(110,214,314),而所述磁性元件(112,216,316)设置在所述芯线(110,214,314)的至少一部分的周围。
5.如权利要求4所述的MRAM,其中:
所述磁性元件(112,216,316)包覆所述导电芯线(110,214,314)。
6.如权利要求5所述的MRAM,其中:
所述磁性元件(112,216,316)具有基本上U形的截面形状。
7.如权利要求1所述的MRAM,其中:
在所述磁存储单元(302)和所述磁性元件(316)之间设置热绝缘层(320)。
8.如权利要求1所述的MRAM,其中,所述MRAM器件(100,200,300)是磁存储器件阵列中的一个。
9.一种计算机系统,它包括:
中央处理单元(404);
主板(402),它连接到所述中央处理单元(404),并且多个磁存储器件(406)连接到所述主板(402),每个磁存储器件(406)包括:
磁存储单元(100,200,300),它可以在磁场作用下在两个状态之间转换;
电位线(104,212,312),它连接到所述磁存储单元(102,202,302),用以产生所述磁场,所述电位线(104,212,312)包括导电元件(110,214,314)和用于将与所述磁场关联的磁通量引向所述磁存储单元(102,202,302)的磁性元件(112,216,316);
绝热体(114,218,318),它设置所述导电元件(110,214,314)和所述磁存储单元(102,202,302)之间,所述磁性元件(112,216,316)具有至少一个引导部分,所述至少一个引导部分从所述导电元件(110,214,314)延伸到所述磁存储单元(102,202,302),以便引导所述绝热体的至少一部分周围(114,218,318)的磁通量。
10.一种在磁存储器件(100,200,300)中存储数据的方法,所述磁存储器件(100,200,300)具有:磁存储单元(102,202,302),它可以在把磁场加到所述单元(102,202,302)上时在两个状态之间转换;以及用以产生所述磁场的电位线(104,212,312),所述方法包括以下步骤:
加热所述磁存储单元(102,202,302),
通过所述位线(104,212,312)施加电流,以便产生所述磁场,
通过磁性元件(112,216,316)、沿着所述绝热体(114,218,318)将与所述磁场关联的磁通量引导到所述磁存储单元(102,202,302),以便促进所述单元的转换。
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