通过切换电流感应出的磁场来得以增强的stt-mram设计的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开一般涉及磁性随机存取存储器(MRAM)设备。更具体而言，本公开涉及用于通过自旋转移矩切换电流感应出的磁场来得以增强的自旋转移矩(STT) MRAM设备的设计。
【背景技术】
[0002]与常规的随机存取存储器(RAM)芯片技术不同，在磁性RAM(MRAM)中，数据不是作为电荷来存储的，而是取而代之通过存储元件的磁极化来存储的。这些存储元件是从由隧道层分开的两个铁磁层形成的。这两个铁磁层中的一个(被称为固定层或者钉扎层)具有固定在特定方向的磁化。另一铁磁层(称为自由层)具有可以被更改的磁化方向，以在自由层磁化与固定层磁化呈反向平行时表示“I”或者在自由层磁化与固定层磁化呈平行时表示“0”，或者反之。具有固定层、隧道层和自由层的一种此类器件是磁性隧道结(MTJ)。MTJ的电阻性取决于自由层磁化和固定层磁化是彼此平行还是彼此反向平行。存储器设备(诸如MRAM)是从可个体寻址的MTJ的阵列构造的。
[0003]为了将数据写入常规MRAM，通过MTJ来施加超过临界切换电流的写电流。超过临界切换电流的写电流足以改变自由层的磁化方向。当写电流在第一方向上流动时，MTJ可被置于或者保持在第一状态，其中其自由层磁化方向和固定层磁化方向在平行取向上对齐。当写电流在与第一方向相反的第二方向上流动时，MTJ可被置于或者保持在第二状态，其中其自由层磁化和固定层磁化呈反向平行取向。
[0004]为了读取常规MRAM中的数据，读电流可经由用于将数据写入MTJ的相同电流路径来流经该MTJ。如果MTJ的自由层和固定层的磁化彼此平行地取向，则MTJ所呈现的电阻不同于在自由层和固定层的磁化呈反向平行取向的情况下该MTJ所将呈现的电阻。在常规MRAM中，由MRAM的位单元中的MTJ的两个不同电阻定义两种相异的状态。这两个不同的电阻表示由该MTJ存储的逻辑O值和逻辑I值。
[0005]为了确定常规MRAM中的数据表示逻辑I还是逻辑0，将位单元中的MTJ的电阻与参考电阻进行比较。常规MRAM电路系统中的参考电阻是具有平行磁性取向的MTJ的电阻与具有反平行磁性取向的MTJ的电阻之间的中点电阻。生成中点参考电阻的一种方式是将已知具有平行磁性取向的MTJ与已知具有反平行磁性取向的MTJ并联耦合。
[0006]磁性随机存取存储器的位单元可被布置成包括存储器元件(例如，MRAM情形中的MTJ)模式的一个或多个阵列。STT-MRAM(自旋转移矩磁性随机存取存储器)是新兴的非易失性存储器，其具有以下优点:非易失性、与eDRAM(嵌入式动态随机存取存储器)相当的速度、与eSRAM(嵌入式静态随机存取存储器)相比较小的芯片尺寸、不受限制的耐读/写性、以及低阵列漏泄电流。
[0007]概述
[0008]根据本公开的一方面，一种存储器单元具有一组磁性隧道结(MTJ)层。该组MTJ层包括固定层、自由层、和位于该固定层与该自由层之间的壁皇层。该存储器单元还包括耦合到这些MTJ层中的第一 MTJ层的第一电极。该第一电极包括从这些MTJ层横向延伸出的第一延长部分。该存储器单元还包括耦合到这些MTJ层中的第二 MTJ层的第二电极。该第二电极包括从这些MTJ层横向延伸出的第二延长部分。该第一延长部分被配置成将由MTJ切换电流感应出的磁场的第一部分定向成穿过这些MTJ层。该第二延长部被配置成将由该MTJ切换电流感应出的磁场的第二部分定向成穿过这些MTJ层。根据本公开的各个方面，该磁场的第二部分与该磁场的第一部分相加以增强穿过这些MTJ层的磁场。
[0009]根据本公开的另一方面，一种构造磁性存储器单元的方法包括图案化第一电极。该方法还包括在所述第一电极上制造MTJ以使得所述第一电极具有从所述MTJ横向延伸出的第一延长部分。该方法进一步包括在所述MTJ上图案化第二电极以使得所述第二电极具有从所述MTJ横向延伸出的第二延长部分。该方法还包括将所述第一延长部分和所述第二延长部分配置成将切换电流感应出的磁场的互为加性的部分定向成穿过该MTJ。
[0010]本公开的另一方面包括一种设备，该设备包括用于磁性地存储电荷的装置、第一导电装置和第二导电装置。用于磁性地存储电荷的装置具有一组层，该组层包括固定层、自由层、和在所述固定层和所述自由层之间的壁皇层。该第一导电装置耦合到该用于磁性地存储电荷的装置的该组层中的第一层。第一导电装置还包括用于定向磁场的第一装置，其从用于磁性地存储电荷的装置横向延伸出去。用于定向磁场的第一装置被配置成将由切换电流感应出的磁场的第一部分定向成穿过用于磁性地存储电荷的装置。该第二导电装置耦合到该用于磁性地存储电荷的装置的该组层中的第二层。第二导电装置还包括用于定向磁场的第二装置，其从用于磁性地存储电荷的装置横向延伸出去。用于定向磁场的第二装置被配置成将由切换电流感应出的磁场的第二部分定向成穿过用于磁性地存储电荷的装置。该磁场的第二部分还与该磁场的第一部分相加以增强穿过用于磁性地存储电荷的装置的磁场。
[0011]这已较宽泛地勾勒出本公开的特征和技术优势以便下面的详细描述可以被更好地理解。本公开的其他特征和优点将在下文描述。本领域技术人员应该领会，本公开可容易地被用作修改或设计用于实施与本公开相同的目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应认识到，这样的等效构造并不脱离所附权利要求中所阐述的本公开的教导。被认为是本公开的特性的新颖特征在其组织和操作方法两方面连同进一步的目的和优点在结合附图来考虑以下描述时将被更好地理解。然而，要清楚理解的是，提供每一幅附图均仅用于解说和描述目的，且无意作为对本公开的限定的定义。
[0012]附图简述
[0013]为了更全面地理解本公开，现在结合附图参阅以下描述。
[0014]图1是常规STT-MRAM设计的框图。
[0015]图2A是根据本公开一方面的STT-MRAM的框图。
[0016]图2B是根据本公开一方面的STT-MRAM的俯视图。
[0017]图3A是根据本公开一方面的STT-MRAM的框图。
[0018]图3B是根据本公开一方面的STT-MRAM的俯视图。
[0019]图4A是根据本公开一方面的STT-MRAM的框图。
[0020]图4B是根据本公开一方面的STT-MRAM的俯视图。
[0021]图5是解说根据本公开一方面的STT-MRAM设计的切换时间对照切换电流的性能图表。
[0022]图6是解说根据本公开一方面的构造STT-MRAM的方法的工艺流程图。
[0023]图7是示出其中可有利地采用本公开的配置的示例性无线通信系统的框图。
[0024]图8是解说根据一种配置的用于半导体组件的电路、布局、以及逻辑设计的设计工作站的框图。
[0025]详细描述
[0026]图1是常规自旋转移矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM) 100的框图。常规MRAM结构100包括磁性隧道结(MTJ) 110，该磁性隧道结具110有第一铁磁层107、第二铁磁层109、以及耦合于第一铁磁层107和第二铁磁层109之间的隧道壁皇层108。顶部电极106耦合到第一铁磁层107，而底部电极112耦合到第二铁磁层109。顶部导电层102藉由导电通孔104耦合到顶部电极106。底部导电层116藉由导电通孔114耦合到底部电极112。例如，第一铁磁层107可以是固定层，而第二铁磁层109可以是自由层。在另一实现中，第一铁磁层107可以是自由层而第二铁磁层109可以是固定层。隧道壁皇层108可以由绝缘材料(诸如举例而言氧化镁MgO)制成。
[0027]图2A是根据本公开一方面的STT-MRAM 200的框图。STT-MRAM 200包括MTJ 210，该MTJ 210包括顶部铁磁层207、底部铁磁层209、以及耦合于顶部铁磁层207与底部铁磁层209之间的隧道壁皇层208。在一个实现中，例如，顶部铁磁层207可以是自由层而底部铁磁层209可以是固定层。在另一实现中，顶部铁磁层207可以是固定层而底部铁磁层209可以是自由层。隧道壁皇层208可以由绝缘材料(诸如举例而言MgO)制成。
[0028]顶部铁磁层207耦合到顶部电极206而底部铁磁层209耦合到底部电极212。顶部导电层202 (诸如金属层M5)藉由顶部通孔204耦合到顶部电极206，而底部导电层216 (诸如金属层M4)藉由底部通孔214 (也被称为触点)耦合到底部电极212。
[0029]根据本公开的一方面，顶部导电层202和底部导电层216相对于MTJ 210横向偏移。顶部电极206包