磁阻随机存储器的制作方法

文档序号:7101585阅读:172来源:国知局
专利名称:磁阻随机存储器的制作方法
技术领域
本公开大体上涉及的是集成电路,而更具体地涉及的是磁阻随机存储器(MRAM)。
背景技术
磁阻随机存储器(MRAM)将数据存储在磁阻存储器,例如,磁性隧道结(MTJ)中。通过测量MRAM单元的电阻来读取MRAM,该电阻根据MRAM单元中的MTJ的磁场极性进行变化。通过使用电流(阈值/临界电流)存储MTJ中的磁场极性来将数据写入到MRAM单元中。该阈值电流影响MRAM的功耗。

发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题,根据本发明的一个方面,提供了一种磁阻随机存储器(MARM)单元,包括:磁隧道结(MTJ);顶电极,设置在所述MTJ上方;底电极,设置在所述MTJ下方;以及感应线,设置在所述MTJ上方或下方,其中,所述感应线被配置为在所述MTJ处产生磁场。在该MRAM单元中,所述感应线设置在所述MTJ正上方或正下方。在该MRAM单元中,所述感应线包括用于在所述MTJ处产生所述磁场的拱形部分。在该MRAM单元中,所述感应线被设置在所述MTJ的一侧。在该MRAM单元中,进 一步包括:第二感应线,所述第二感应线被配置为在所述MTJ处产生磁场。在该MRAM单元中,如果所述感应线设置在所述MTJ上方,那么所述感应线形成在不同于所述顶电极的层中,如果所述感应线设置在所述MTJ下方,那么所述感应线形成在不同于所述底电极的层中。在该MRAM单元中,所述MTJ包括自由层、固定层、以及设置在所述自由层和所述固定层之间的绝缘体,所述固定层具有固定的磁极,所述自由层具有可变的磁极。在该MRAM单元中,所述MTJ具有卵形或椭圆形形状。 在该MRAM单元中,所述MRAM单元是自旋转矩(STT) MRAM单元。根据本发明的另一方面,提供了一种MRAM单元阵列写入电路,包括:多个MRAM单元,布置在行和列所组成的阵列中,每个MRAM单元均包括磁隧道结(MTJ),设置在所述MTJ上方的顶电极、设置在所述MTJ下方的底电极;至少一条感应线,相对于两列MRAM单元中的每列设置,每条感应线均被配置为在相对每条所述感应线设置的所述MTJ处产生磁场;以及至少一个电流源,用于向所述至少一条感应线提供电流。在该MRAM单元阵列写入电路中,所述至少一条感应线包括感应线对,所述感应线对设置在所述MTJ的每个单个列的所述MTJ的相对侧上。在该MRAM单元阵列写入电路中,在写入操作期间,电流从至少一个电流源以相反方向流经所述感应线对。在该MRAM单元阵列写入电路中,在写入操作期间,电流从至少一个电流源以相同方向流经所述感应线对。在该MRAM单元阵列写入电路中,对于每两列MARM单元,所述至少一条感应线包括仅一条感应线,每列MRAM单元具有仅一条与其相连接设置的感应线。在该MRAM单元阵列写入电路中,所述至少一个电流源包括为多条感应线提供电流的电流源以及选择性地将所述电流源与所述多条感应线相连接的多个开关。在该MRAM单元阵列写入电路中,所述至少一个电流源包括与多条对应的感应线相连接的多个电流源。根据本发明的又一方面,提供了一种磁阻随机存储器(MRAM)单元,包括:磁隧道结(MTJ),具有卵形形状或具有短(X)轴和长(Y)轴的椭圆形形状;顶电极,设置在所述MTJ上方;底电极,设置在所述MTJ下方;以及感应线,设置在所述MTJ上方或下方;其中,所述感应线被配置成在所述MTJ处产生磁场。在该MRAM单元中,所述感应线设置在所述MTJ的一侧并且大体上平行于所述MTJ的所述长(Y)轴,以在所述MTJ处产生垂直磁场。在该MRAM单 元中,所述感应线设置在所述MTJ的一侧并且大体上平行于所述MTJ的所述短(X)轴,以在所述MTJ处产生平行磁场。在该MRAM单元中,所述感应线包括拱形部分,所述拱形部分被设置为在所述MTJ处产生垂直于所述MTJ的所述短(X)轴和长(Y)轴的磁场。在该MRAM单元中,至少一部分所述感应线设置在所述MTJ正上方或正下方,并且大体上平行于所述MTJ的所述长(Y)轴,以在所述MTJ处产生垂直磁场。在该MRAM单元中,至少一部分所述感应线设置在所述MTJ正上方或正下方,并且大体上平行于所述MTJ的所述短(X)轴,以在所述MTJ处产生平行磁场。


附图示出了本发明的实施例以及与本公开相关的其他信息,其中:图1至图1C是根据一些实施例的示例性MRAM单元的立体图;以及图2至图2D是根据一些实施例的示例性MRAM单元阵列写入电路的示意图。
具体实施例方式对于示例性实施例的描述旨在接合附图进行阅读,附图被认为是整个书面描述的一部分。应该理解,在该说明中的相对关系术语,诸如,“下面的”、“上面的”、“水平的”、“垂直的”、“在. 上面”、“在...下面”、“向上的”、“向下的”、“顶部”和“底部”以及其派生词(例如,“水平地”、“向下地”、“向上地”等)与随后所描述的或在论述过程中视图所示出的方向相关。这些相对关系术语旨在更容易地描述,并不要求部件按此特定的方向装配或操作。除非另有明确说明,否则这些涉及了连接,耦合等的术语(诸如“连接的”和“互连的”)涉及的是彼此直接固定或连接或通过中间结构间接地固定或连接的结构之间的关系,以及两者可移动或不可移动的连接或关系。另外,除非另有说明,否则关于电连接等的术语(诸如,“接合的”、“连接的”以及“互连的”)涉及的都是相互直接通信或通过中间结构间接通信的结构之间的关系。图1是根据一些实施例的示例性MRAM单元的立体图。该MRAM单元100具有MTJ102,顶电极104、底电极106,以及(磁场)感应线108。MTJ 102包括自由层110、绝缘体(隔离件或沟槽阻挡件)112,以及固定层114。感应线108位于MTJ 102的一侧。在2011年7月15日提交的相关的共同受让的第13/183,968号U.S.专利申请“MagnetoresistiveRandom Access Memory and Medthod of Making the Same”中描述了 MRAM 单兀 100 (包括该MRAM单元的存储器阵列)及其制造方法,该专利申请整体通过引用结合到本文中。自由层100和固定层114形成了两个铁磁板,每个均可以具有磁场,通过薄的绝缘体112将这两个铁磁板分开。固定层114具有固定的磁极性,而自由层110具有可变的磁极,从而配合外磁场来存储数据。由于磁隧道效应,MTJ 102的电阻基于这两个板(即,自由层110和固定层114)中的磁场的方向进行变化。在一些实施例中,如果这两个板具有相同的极性,那么MTJ 102具有较低的阻抗,如果这两个板的极性相反,那么MTJ 102则具有较高的阻抗。可以利用薄膜技术(诸如,磁控溅射沉积、分子束外延附生、脉冲激光沉积、电子束物理汽相沉积,或其他适当的方法)来制造MTJ 102。MTJ102被示出具有卵形或椭圆形形状,而在其他实施例中具有不同的形状。在一些实施例中,自由层110包括磁性材料(例如,CoFeB、NiFe),厚度约为15-25M A )而固定层114包括磁性材料(例如,CoFeXoFeB),厚度约为40-60A (厚于自由层110)。绝缘体112包括MgO、Al2O3,或其他适当的材料。顶电极104、底电极106,以及感应线108可以包括导电材料,诸如,铜、铜合金、铝、铝/硅/铜合金、钛、氮化钛、钽、 氮化钽、钨、多晶硅、金属硅化物,其任意组合,或任意其他适当的材料。通过包括了物理汽相沉积(PVD,诸如,通过溅射的PVD)、化学汽相沉积(CVD)、电镀、镶嵌工艺,其组合,或任意其他适当的工艺来形成顶电极104、底电极106以及感应线108。在一些实施例中也可以由与MTJ 102相同的层形成感应线108。MRAM单元100示出了感应线108上的电流I和通过电流I由感应线108感应的磁场B。感应的磁场B垂直于MTJ 102的磁场(即,假设产生的磁场在Z方向上,例如,MTJ的顶/底面处在X-Y平面上)。感应的垂直磁场有助于降低写入MRAM单元100的阈值(转换)电流,由此减小了功耗。与热辅助(TA)或焦耳加热写入方法相比,MRAM单元100不需要这些方法所需的长加热时间。同样地,与使用垂直的磁性层结构的写入方法相比,MRAM单元100更为经济。在图1的实施例中,感应线108被设置在顶电极104的旁边,但感应线108可以处在其他位置上,从而在MTJ 102处(例如,从底电极106上方或旁边到MTJ 102的一侧,或从顶电极104的上方到MTJ 102的一侧,等)感应出垂直的磁场。还可以使用与顶电极104、MTJ 102、底电极106中的任意一个相同的层形成感应线108,或在任意其他的导电层中形成感应线,该感应线可以在MTJ 102处感应出垂直的磁场。在一些实施例中,MRAM单元是自旋转矩(STT)MRAM单元。图1A示出了可选的MRAM单元100A。MRAM单元100A与MRAM单元100相同,仅感应线108A设置在MTJ 102上方(即,在更高的平面上)。在实施例中,感应线108A形成在不同于顶电极104的金属层中。尤其在示出的实施例中,感应线108A设置在MTJ 102上方并且朝向MTJ 102侧(S卩,不与MTJ重叠)。从布局角度上看,紧邻着顶(或底)电极或MTJ设置感应线可能很困难。为了根据MTJ 102的磁场感应出期望的磁场,可以对穿过感应线108A的电流进行调整来在MTJ 102处提供感应磁场的所期望的磁矩。在可选的实施例中,类似地设置感应线,但要将其设置在MTJ下方而不是上方。假设MTJ 102具有限定出短⑴轴和长⑴轴的椭圆形形状,那么MTJ磁场将处在长(Y)轴的方向上。该长(Y)轴也被称为“易磁化轴”,这是因为结的这个轴最容易被磁化。顶电极的位置并不重要,这是因为只有感应线的位置才决定得了感应磁场的方向。当感应线108A平行于MTJ102的短⑴轴时,产生磁场B’在长⑴轴上(即,平行于MTJ场(或平行于MTJ的易磁化轴)),当感应线108A平行于MTJ 102的长⑴轴时,感应磁场B’在短(X)轴上。使磁场方向平行于或垂直于场MTJ 102有助于减小用于写入MRAM单元100的阈值(转换)电流,由此减少了功耗。当在X或Z方向上时,感应的磁场是垂直的。当感应的磁场是垂直的时,可能大幅度地加速磁化转换并且减小转化电流密度。当处在Y方向上时,感应磁场是中性的。该感应磁场为MTJ提供了一些磁能并且减小了转换电流密度。图2是MRAM单元阵列的写入电路200的实施例的示意图,该MRAM单元阵列包括了上述结合,例如,图1和图1A所描述的MRAM单元。应该理解,虽然示出阵列仅包括两行202和四列204的MRAM单元,但这仅用于说明目的。该2X4的阵列包括八个MTJ 206。MTJ的第一行202a与第一字线(WLO) 208a相关联,并且MTJ的第二行204a与第二字线(WLl) 208b相关联。MRAM单元的每列204 均与相应的电源线210、电源线写入缓存211、相应于MRAM单元的顶电极的位线212以及位线写入缓存213相关联。每列MRAM单元还与相应的感应线214相关联,该感应线与相应的电流源216和电流槽218相连接。MRAM单元的顶电极与电源线相连接,而MRAM单元的底电极与位线相连接,或反之亦然。为了示出写入电路的操作,假设选择与第一行208a和第二列204b相应的MRAM单元来进行写入操作。该MRAM单元以虚线示出。为了减小写入该MRAM单元的阈值(转换)电流并且由此减小功耗,为与列204b的MRAM单元相关联的感应线214b提供电流。尤其是在感应线214b不是或不能紧邻着MTJ 206(诸如,上面图1A所示)的实例中,也可以为源于MTJ 206的另一侧上的相邻的单元列的感应线214提供电流,从而在挑选出的MTJ 206上感应磁场。在该实例中,如感应线214A和214B两者中的电线所示的那样,也为感应线214提供了电流。在两个感应线形成了期望的与被挑选出来的MTJ 206的磁场相垂直的磁场的情况下,可以按期望地减小用于写入被挑选出来的MRAM单元的阈值(转换)电流。图2A是以上结合,例如,图1和图1A进行描述的MRAM单元阵列的写入电路200A的另一个实施例的示意图,该MRAM单元阵列包括了 MRAM单元。除了感应线214b中的电流在与其他激活的感应线214a中的电流相反的方向上流动以外,图2A的写入电路与图2的写入电路相同。电流的实际方向(无论是相同的或相反的方向)均不影响所挑选的MTJ206处的磁场。图2B是以上结合,例如,图1和图1A进行描述的MRAM单元阵列的写入电路200B的另一个实施例的示意图,该MRAM单元阵列包括了 MRAM单元。除了两列MRAM单元共享仅一个感应线214以外,图2B中的写入电路与图2中的写入电路相同。例如,感应线214ab用于列204a和204b两者,而感应线214cd则用于列204c和204d两者。当列204a或204b中的MRAM单元被挑选用于进行写入操作时,那么电流被提供给感应线214ab。类似的,当列204c或204d的MRAM单元被挑选用于进行写入操作时,那么电流被提供给感应线214cd。
图2C是包括了 MRAM单元的MRAMA单元阵列的写入电路200C的另一个实施例的示意图。除了以下三点以外,该写入电路与图2中的写入电路相同。第一,示出了 2X2个阵列的MRAM单元而不是2X4个阵列。这仅用于说明目的。第二,在图中以参考标号314标记的感应线覆盖着MTJ216。也就是说,感应线314设置在MTJ上方,S卩,在其上并且部分地覆盖MTJ。下面借助图1B更详细地论述这些感应线314。第三,一个电流源/电流槽对216,218通过可选的开关SWl和SW2为多个感应线314提供电流。例如,如果选择了虚线的MRAM单元(例如,在第一行,第二列中的MRAM单元)的话,那么开关SWlb和SW2b被触发,从而将感应线314b分别与电流源216和电流槽218相连接。当与每个感应线均具有其各自的电流源/电流槽对的实施例相比时,该实施例保留有布局区域。现参考图1B,除了感应线108B的形状和位置以外,MRAM单元100B与图1中的MRAM单元100相同。在所示的实施例中,感应线108B设置在MTJ 102上方,完全或部分地与MTJ 102的顶面重叠或将其覆盖。感应线108B可以形成在不同于顶电极104的金属层中。感应线108B还可以类似的方式设置在MTJ 102下面。特别要注意的是,感应线108B还包括设置在其他基本上规则地成形的直线部分111之间的拱形部分109。部分109在带有直线部分111的平面中但在垂直于MTJ的长轴或短轴的大方向上拱起。假设该直线部分111与MTJ 102的长(Y)轴对齐的话,那么部分109在X方向上向外拱起,而假设直线部分111沿着MTJ 102的短⑴轴延伸的话,那么部分109在Y方向上向外拱起。朝向感应线108B的区域,多个MTJ 102放置在一列中,该列可以包括多个拱形部分109,其中,各个拱形部分109覆盖着每个MTJ 102。可以发现,与由相同电流提供的直线感应线相比,使用这些拱形部分109可以明显地感应出更多垂直于MTJ102的磁场的磁矩。应该理解,不同的形状可以为垂直的磁场提供不同的强度。例如,圆形的将提供最大的强度并且这是另一个实施例的实例。再假设一种用于MJT 102的限定出了短⑴轴和长(Y)轴的椭圆形状,那么无论顶电极线104沿着长(Y)轴或短⑴轴 定向,感应的垂直磁场B”均在Z方向上。图1C示出了感应线108C覆盖着MTJ 102的MRAM单元100C的另一个实施例,与图1B的感应线108B相比,区别仅在于感应线108C具有基本上连续的、规则的形状而不具有覆盖着MTJ 102的拱形部分。感应线108C可以形成在不同于顶电极104的金属层中。图2D示出了图1C所示的类型的MRAM单元阵列的写入电路200D。除了覆盖在MTJ 216上的感应线414的形状以外,写入电路200D与图1C中的写入电路200C相同。再假设一种用于MTJ 102的限定出了短⑴轴和长⑴轴的椭圆形状,那么当覆盖着感应线108C的顶电极线104平行于MTJ 102的短⑴轴时,感应的垂直磁场B”在长(Y)轴的方向上(即,平行于MTJ 102的磁场),但当覆盖着感应线108C的顶电极线104平行于MTJ 102的长⑴轴时,感应的垂直磁场B”在短⑴轴的方向上(即,平行于MTJ 102的长⑴轴)。应该理解,根据使用了位于MTJ上方和/或朝向MJT侧面的至少两个感应线在MTJ处感应磁场的实施例中,也可以将感应线设置在MTJ上方和下方,从而在MTJ处感应出磁场。类似地,一些组合也是可预期的,例如,位于MTJ的上方、下方、上面、下面和/或在其侧面的感应线的组合。在一些实施例中,一种磁阻随机存储器(MARM)单元包括磁隧道结(MTJ)、设置在MTJ上方的顶电极、设置在MTJ下方的底电极,以及设置在MTJ上方或下方的感应线。该感应线被配置成在MTJ处产生磁场。在其他实施例中,MRAM单元包括具有卵形形状或具有短(X)轴和长(Y)轴的椭圆形形状的磁隧道结(MTJ)、设置在MTJ上方的顶电极、设置在MTJ下方的底电极、其中,感应线被配置成在MTJ处产生磁场。在MRAM单元阵列写入电路的一些实施例中,该MRAM单元阵列写入电路包括:多个布置在行和列组成的阵列中的MRAM单元,每个MRAM单元均包括磁隧道结(MTJ),设置在MTJ上方的顶电极、设置在MTJ下方的底电极;相对于两列MRAM单元中的每列设置的至少一条感应线,每条感应线均被配置成在设置该感应线的MTJ处产生磁场;以及用于向至少一条感应线提供电流的至少一个电流源。虽然已经通过实例并且根据优选的实施 例对本发明进行了描述,可以理解,本发明并不局限于公开的实施例。因此,所附权利要求的范围应该与最宽泛的解释一致,从而包括了本领域的技术人员在不背离本发明的等效方式的范围和区域的情况下所实现的本发明的其他变型和实施例。
权利要求
1.一种磁阻随机存储器(MARM)单元,包括: 磁隧道结(MTJ); 顶电极,设置在所述MTJ上方; 底电极,设置在所述MTJ下方;以及 感应线,设置在所述MTJ上方或下方, 其中,所述感应线被配置为在所述MTJ处产生磁场。
2.根据权利要求1所述的MRAM单元,其中,所述感应线设置在所述MTJ正上方或正下方。
3.根据权利要求1所述的MRAM单元,其中,所述感应线包括用于在所述MTJ处产生所述磁场的拱形部分。
4.根据权利要求1所述的MRAM单元,其中,所述感应线被设置在所述MTJ的一侧。
5.根据权利要求1所述的MRAM单元,进一步包括:第二感应线,所述第二感应线被配置为在所述MTJ处产生磁场。
6.根据权利要求1所述的MRAM单元,其中,如果所述感应线设置在所述MTJ上方,那么所述感应线形成在不同于所述顶电极的层中,如果所述感应线设置在所述MTJ下方,那么所述感应线形成在不同于所述底电极的层中。
7.根据权利要求1所述的MRAM单元,其中,所述MTJ包括自由层、固定层、以及设置在所述自由层和所述固定层之间的绝缘体,所述固定层具有固定的磁极,所述自由层具有可变的磁极。
8.根据权利要求1所述的MRAM单元,其中,所述MTJ具有卵形或椭圆形形状。
9.一种MRAM单元阵列写入电路,包括: 多个MRAM单元,布置在行和列所组成的阵列中,每个MRAM单元均包括磁隧道结(MTJ),设置在所述MTJ上方的顶电极、设置在所述MTJ下方的底电极; 至少一条感应线,相对于两列MRAM单元中的每列设置,每条感应线均被配置为在相对每条所述感应线设置的所述MTJ处产生磁场;以及 至少一个电流源,用于向所述至少一条感应线提供电流。
10.一种磁阻随机存储器(MRAM)单元,包括: 磁隧道结(MTJ),具有卵形形状或具有短(X)轴和长(Y)轴的椭圆形形状; 顶电极,设置在所述MTJ上方; 底电极,设置在所述MTJ下方;以及 感应线,设置在所述MTJ上方或下方; 其中,所述感应线被配置成在所述MTJ处产生磁场。
全文摘要
本发明涉及了一种磁阻随机存储器(MRAM)单元,包括了磁隧道结(MTJ)、设置在MTJ上方的顶电极、设置在MTJ下方的底电极,以及设置在MTJ上方或下方的感应线。感应线被配置成在MTJ处产生磁场。
文档编号H01L43/08GK103219461SQ201210193379
公开日2013年7月24日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年1月24日
发明者江典蔚, 林楷竣, 高雅真, 于鸿昌 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司
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