專利名稱：用于磁隧道結(jié)的獨立寫入和讀取訪問構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及磁性存儲器，尤其是涉及一種利用磁阻效應(yīng)存儲二進制數(shù)據(jù)的存儲器件。
2.相關(guān)技術(shù)描述近年來，存儲技術(shù)領(lǐng)域取得了很多進展。這些進展其中之一就是利用隧道磁阻效應(yīng)來存儲二進制信息的磁隧道結(jié)(MTJ)。MTJ受到如此關(guān)注原因是它提供了高速數(shù)據(jù)讀取速度、非易失性，而且具有高磁阻率。MTJ的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是一個三層器件，其具有夾在磁性(鐵磁性)層12和14之間的阻障層16。每個磁性層都有相關(guān)聯(lián)的磁化方向。
在典型的布置中，磁性層之一被配置作為固定層14。反鐵磁性層(未示出)可以用來固定該固定層的磁化方向。因此，該固定層實質(zhì)上是如同具有永久磁化方向的永磁體來看待的。層14中的單方向的箭頭表示層14是具有固定磁化方向的固定層。第二磁性層稱為自由層12。自由層12被配置成可以響應(yīng)足夠大小的所施加的磁場而切換其磁化方向。自由層12中的雙箭頭表示自由層12的磁化方向可以被所施加的磁場反轉(zhuǎn)。
為了存儲二進制數(shù)據(jù)，該MTJ必須具備兩種可能的邏輯狀態(tài)(即二進制狀態(tài))。這些狀態(tài)經(jīng)常用“1”和“0”來表示。根據(jù)兩個磁性層12和14的磁化方向是平行還是反平行來確定MTJ的狀態(tài)。如果兩個磁性層12和14的磁化方向相同，則稱之為平行；相反地，如果二者的磁化方向相反，則稱之為反平行。
隧道磁阻效應(yīng)基于以下現(xiàn)象施加的磁場可以影響材料的電阻率。簡單地說，當(dāng)磁性層的磁化方向反平行時，電流流過MTJ時的電阻就“高”；而當(dāng)磁性層的磁化方向平行時，MTJ的電阻就“低”。通常，通過測量垂直流過MTJ的每一層的讀取電流來確定MTJ的電阻率。所示讀取電流(i)垂直通過圖1的層。因為讀取電流流動的方向，MTJ被稱為“垂直于平面的電流”(CPP)器件。
用于衡量MTJ質(zhì)量的一個量度是磁阻率，其定義為(ΔR/Rmax)。ΔR定義為磁化方向反平行時MTJ的電阻率與磁化方向平行時MTJ的電阻率之間的差值，而Rmax為磁化方向反平行時MTJ的電阻率(最大電阻率)。
當(dāng)向MTJ寫入時，自由層12的磁化方向被施加到MTJ的磁場切換。通常，使用一對相互垂直的導(dǎo)線來對MTJ施加用于寫入的外部磁場。這些線可以稱為位線和字線。位線還可以用來施加讀取電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種磁隧道結(jié)(MTJ)存儲器件，它具有獨立的寫入和讀取訪問功能。根據(jù)本發(fā)明的第一主要方面，磁阻胞提供具有磁自由層和由阻障層隔開的磁釘扎層的MTJ單元，用于讀取MTJ單元的二進制狀態(tài)的兩個讀取線，以及用來設(shè)置該MTJ單元的二進制狀態(tài)的兩個寫入線。第一讀取線與該MTJ單元的自由層相耦合，而第二讀取線與該MTJ單元的釘扎層相耦合。于是，該第一讀取線中的電流在到達該第二讀取線之前將垂直通過MTJ單元的每一層。該MTJ單元的二進制狀態(tài)可以通過外加磁場而切換。在該實施例中，用于寫入的磁場由流經(jīng)該兩個寫入線的電流產(chǎn)生。該兩個寫入線與該讀取線以及該MTJ單元均絕緣。
與每個MTJ單元相關(guān)聯(lián)的四條線的相對取向可以有幾種不同的形式。在一個實施例中，第一寫入線和第一讀取線垂直于第二寫入線和第二讀布置。在另外一個實施例中，該第一寫入線和該第二讀取線垂直于該第二寫入線和該第一讀取線而布置。
根據(jù)本發(fā)明的第二主要方面，磁性隨機訪問存儲器(MRAM)提供以行和列布置的MTJ胞的矩陣。每一行被配置成具有兩條沿其間距通過的線(第一讀取線和第一寫入線)。該第一讀取線與該行中每個MTJ胞的第一面相耦合，而該第一寫入線與該第一讀取線以及與該MTJ胞均絕緣。類似地，每一列被配置成具有兩條沿其間距通過的線(第二讀取線和第二寫入線)。該第二讀取線與該列中每個MTJ胞的第二面相耦合，而該第二寫入線與該第二讀取線以及與該MTJ胞均絕緣。另外，該MRAM提供用于執(zhí)行讀取和寫入功能的控制電路。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的磁隧道結(jié)(MTJ)單元的層的示意圖。
圖2是一種磁隧道結(jié)器件的實施例的等軸視圖。
圖3是具有較小改動的圖2的實施例的示意圖。
圖4a是存儲矩陣的一部分的等軸視圖，示出了四個磁隧道結(jié)胞和它們的相互連接的一種實施例。
圖4b是存儲矩陣的一部分的等軸視圖，示出了四個磁隧道結(jié)胞和它們的相互連接的第二實施例。
圖5是存儲矩陣的實施例的框圖。
具體實施例方式
1.概述參考附圖，圖2一般地描述了一種具有獨立的讀取和寫入構(gòu)造的磁隧道結(jié)(MTJ)胞。MTJ單元202示出為具有夾在兩個導(dǎo)電磁性層之間的阻障層的三層單元。該MTJ單元202的每個磁性層都有一磁化方向。在圖2中，頂部磁性層中的帶有單方向的箭頭表示該頂部磁性層的磁化方向不會在該胞的操作過程中發(fā)生改變。所以，該頂部磁性層被稱為釘扎層。底部磁性層中的帶有雙方向的箭頭表示該底部磁性層的磁化方向可能在該胞的操作過程中發(fā)生反轉(zhuǎn)。所以，該底部磁性層被稱為自由層。本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員可以認(rèn)識到，可以不用消除該MTJ單元202的有效性而改變這些層的取向。
第一讀取線204與該MTJ單元202的第一面相耦合，并且第二讀取線206與該MTJ單元202的第二面相耦合。該兩個讀取線被布置成以使該第一讀取線204和該第二讀取線206之間的電壓差將產(chǎn)生垂直流過該MTJ單元202的這些層的電流。一般情況下，該第一讀取線204被布置成與該第二讀取線206垂直。然而，本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員可以認(rèn)識到，這種布置并不是必須的。例如，在另外一個實施例中，該第二讀取線206并不與該第一讀取線204相垂直，而是在通過選擇晶體管后在接地處中止。
第一寫入線208示出為位于該第一讀取線204的上方。該第一寫入線208與該第一讀取線204以及與該胞的其余部分通過第一絕緣隔離片(未示出)而被隔開。該第一寫入線208被布置成與該MTJ單元202相鄰，以使通過該第一寫入線208的電流產(chǎn)生作用在該MTJ單元202上的磁場。
第二寫入線210示出為位于該第二讀取線206的下方。該第二寫入線210與該第二讀取線206以及與該胞的其余部分通過第二絕緣隔離片(未示出)而被隔開。該第二寫入線210被布置成與該MTJ單元202相鄰，以使通過該第二寫入線210的電流產(chǎn)生作用在該MTJ單元202上的磁場。一般情況下，該第一寫入線208被布置成與該第二寫入線210相垂直。然而，本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員可以理解，這種布置并不是必須的。
該胞的邏輯狀態(tài)取決于該MTJ單元202的磁化層的磁化方向的相對取向。于是，該胞的邏輯狀態(tài)就可以通過這些層的取向來設(shè)置。通過該第一寫入線208的第一電流和通過該第二寫入線210的第二電流產(chǎn)生一組合磁場。該組合磁場作用在該MTJ單元202上，從而反轉(zhuǎn)該MTJ單元202的自由層的磁化方向的取向。
為了確定MTJ單元202的邏輯狀態(tài)，該第一讀取線204和該第二讀取線206之間產(chǎn)生一個電壓差。該電壓差導(dǎo)致垂直流過該MTJ單元202的這些層的電流。該電流的值表示該MTJ單元的邏輯狀態(tài)。
2.MTJ胞的構(gòu)造圖3示出了一個按照示例性的實施例中的MTJ胞300的框圖。MTJ單元302示出為三層單元，其具有非磁性非導(dǎo)電的阻障層312，它夾在導(dǎo)電的磁性自由層310和磁性導(dǎo)電釘扎層314之間。第一讀取線308與該自由層310相耦合，以及第二讀取線與該釘扎層314相耦合。第一絕緣體306將第一寫入線302與第一讀取線308相隔開。第二絕緣體318將第二寫入線320與第二讀取線316相隔開。
該阻障層312優(yōu)選地是薄膜絕緣體。在一個讀取序列中，電流流經(jīng)該阻障層312。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，該操作是不可能的，因為通過阻障層312的電阻為無窮大。但是，在納米尺度，隧道電流可以在該結(jié)構(gòu)中流動。該阻障層可以通過例如在其中一個鐵磁性層上淀積1-2nm厚的Al或Mg膜來制造。然后，對該膜進行氧化后，就可以得到Al2O3或MgO絕緣層。各種氧化技術(shù)都是可用的，例如等離子體氧化、熱氧化、氧氣輝光放電、或直接淀積Al2O3。外延生長阻障層也可以結(jié)合到本發(fā)明中。例如，通過分子束外延附生可以精確制得MgO阻障層，該阻障層的厚度大約為0.8nm。在制作阻障層時必須非常小心，以避免針孔或其他雜質(zhì)的產(chǎn)生，因為它們可能會起到將兩個鐵磁層310和314電耦合或磁耦合的作用。
在一個示例性的實施例中，與阻障層312的兩面結(jié)合的兩個鐵磁層310和314彼此不能磁耦合，并且被設(shè)計成顯示出類似于自旋閥的切換行為。兩個鐵磁層可以被設(shè)計成具有不同的矯頑力。例如，示出的該釘扎層314比自由層310厚，以表示具有較大的矯頑力。此外，該釘扎層314可以通過MnFe，或通過例如Co/Ru/Co層進行交換偏置。因此，在這種情況下，該釘扎層314變成了多層的磁性層，其具有可磁化參考層和釘扎層。因為該讀取序列涉及垂直通過每一層的平面的電流，該交換偏置層(釘扎層)必須是電導(dǎo)體。就像另一個例子，該磁性層可以是NeFe合金。
在一個實施例中，該讀取線308和316各直接與該MTJ單元302相耦合。或者，絕緣層沉積在該讀取線308和316與該MTJ單元302之間。在這種情況下，該讀取線308和316與該MTJ單元302之間的電連接通過每個絕緣層中的通道而維持。
3.胞的制作下面描述MTJ胞實施例的具體制作步驟。從硅襯底(未示出)開始，第二寫入線320被沉積在該襯底上。在第二絕緣體318沉積在該第二寫入線320上之后，沉積第二讀取線316。MTJ 302或者直接生長在該第二讀取線316上，或者生長在絕緣體(未示出)上，該絕緣體通過一通道提供該第二讀取線316和該MTJ 302之間的互連接。第一讀取線308或者直接沉積在該MTJ 302上，或者沉積在絕緣體(未示出)上，該絕緣體通過一通道將第一讀取導(dǎo)體316和該MTJ 302互連接。第一寫入線304沉積在第一絕緣體306上，第一絕緣體306處于第一讀取線308之上。這些寫入和讀取線304、308、316和320可以被布置成矩陣的行和列，在該矩陣中制作有接觸點，以便對用于控制這些線中的電流的晶體管(未示出)進行訪問。
4.MTJ陣列圖4a是按照示例性的實施例布置的MTJ胞陣列的示意圖。一個MTJ胞陣列，例如對于磁隨機訪問存儲器(MRAM)應(yīng)用，可以由大量的MTJ胞構(gòu)造成。為簡化起見，圖4a只示出了四個MTJ單元402、404、406和408的陣列。圖示的陣列具有兩行和兩列。本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員可以很容易地認(rèn)識到，可以通過增加行和/或列的數(shù)目來增加MTJ單元的數(shù)量。圖示的有兩條行讀取線410和412-每行一個。一個行讀取線被附加到對應(yīng)行中的每一個MTJ單元。于是，例如，第一行讀取線410被附加到MTJ單元402和406，而第二行讀取線412被附加到MTJ單元404和408。示出了兩列讀取線414和416-每列一個。每個列讀取線被附加到其列中的每個MTJ單元。因此，在這種布置中，列讀取線414和416垂直對準(zhǔn)行讀取線410和412。作為例子，請具體觀察讀取線410和414行讀取線410和列讀取線414之間的電壓差會引起流過MTJ單元402的電流。這樣，MTJ單元402的電阻率可以被確定，從而可以確定它的邏輯狀態(tài)。在一個實施例中，第一開關(guān)與行讀取線410耦合，以及第二開關(guān)與列讀取線414耦合。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)和第二開關(guān)同時處于閉合狀態(tài)時，讀取電流流經(jīng)MTJ單元402，用于確定MTJ單元402的邏輯狀態(tài)。
圖4a中還示出了兩組寫入線。兩條列寫入線418和420被布置在兩條行讀取線410和412附近。該列讀取線418和420與行讀取線410和412以及與該MTJ單元均絕緣。兩條行寫入線422和424也在圖中示出，并且被布置在列讀取線414和416附近。行寫入線422和424與列讀取線414和416以及與該MTJ單元均絕緣。作為例子，請具體觀察寫入線418和422流經(jīng)列寫入線418的第一電流和流經(jīng)行寫入線422的第二電流產(chǎn)生作用在MTJ單元402上的組合磁場。如果該組合磁場的強度足夠大，該MTJ單元402的自由層的磁化方向就可以被反轉(zhuǎn)。
在圖4a中，沉積在MTJ單元上的寫入線被布置成與沉積在該MTJ單元上的讀取線相互垂直。類似地，沉積在該MTJ單元下的寫入線被布置成與沉積在該MTJ單元下的讀取線相互垂直。圖4b中示出了另一種布置。在圖4b中，寫入線與其對應(yīng)的讀取線平行布置。例如，寫入線418和420沉積在MTJ單元402-408上，且平行于同樣沉積在MTJ單元402-408上的讀取線410和412而布置。
5.MTJ陣列和控制電路圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中的一種應(yīng)用在存儲器件中的MTJ陣列的框圖。單元502-518代表圖1-2中所示的MTJ單元。這些MTJ單元以一組行和列的形式而被布置。例如，MTJ單元502、504和506被布置在同一行中，而MTJ單元502、608和514被布置在同一列中。在該實施例中，僅有9個MTJ單元以一組三行和三列的形式被示出。該有限的組僅起示例作用。在實際中，可以使用比這大得多的陣列。
在該陣列的每一行中均有兩條相關(guān)聯(lián)的線一讀取線和一寫入線。行讀取線520、522和524被附加到它們相應(yīng)行中的每一個MTJ單元的第一面。例如，行讀取線520被附加到每個MTJ單元502、504和506的第一面。行寫入線532、534和536被布置在它們相應(yīng)行中的每一個MTJ單元附近。例如，行寫入線532被布置在MTJ單元502、504和506附近，以使流經(jīng)行寫入線532的電流將產(chǎn)生作用在MTJ單元502、504和506上的磁場。該行寫入線并不與該MTJ單元電耦合。行控制電路546和548示出在該行的末端。行控制電路產(chǎn)生流經(jīng)該行中的線的電流。
在該陣列的每一列中均有兩條相關(guān)聯(lián)的線一讀取線和一寫入線。列讀取線526、528和530被附加到它們相應(yīng)列中的每一個MTJ單元的第二面。例如，列讀取線526被附加到MTJ單元502、508和514的第二面。列寫入線538、540和542被布置在它們相應(yīng)列中的每一個MTJ附近。例如，列寫入線538被布置在MTJ單元502、508和514附近，以使流經(jīng)列寫入線538的電流將產(chǎn)生作用在MTJ單元502、508和514上的磁場。該列寫入線并不與該MTJ單元電耦合。列控制電路550和552被示出在列的末端。列控制電路550和552產(chǎn)生流經(jīng)該行中的線的電流。
在一個實施例中，控制電路還包括傳感器，它用來確定選則的MTJ單元的邏輯狀態(tài)。該傳感器例如可以是用于測量流經(jīng)該選則的MTJ單元的電流的安培表，或者是用于測量選擇的MTJ單元兩端的電壓的伏特表。更為普遍的情況是，控制電路具有讀和寫的功能。
在一個實施例中，該控制電路提供有多個與一行各相關(guān)聯(lián)的行訪問門，并且各被配置成能在相應(yīng)的行讀取線和行寫入線之間進行切換。例如，第一行訪問門可以被配置成在行讀取線520和行寫入線532之間進行切換。每一個行訪問門都與給該行提供電流的行電流源相耦合。類似地，該控制電路也提供有多個與列各相關(guān)聯(lián)的列訪問門，并且各被配置成能在相應(yīng)的列讀取線和列寫入線之間進行切換。例如，第一列訪問門可以被配置成在列讀取線526和列寫入線538之間進行切換。每個列訪問門也都與列電流源相耦合。這樣，例如在一個MTJ單元502的寫入序列中，切換該第一行訪問門，以使該行訪問門將行電流源與行寫入線532互連，以及切換該第一列訪問門，以使該第一列訪問門將列電流源與列寫入線538互連。
另一個實施例在控制電路546處提供行電流源，以及在控制電路548處提供行漏電(row drain)。第一行開關(guān)與該行電流源相耦合，用于選擇一個所選則的行和一個所選則的行的選則的行線，以向該選則的行線輸送電流。用來選則所選則的線的第二行開關(guān)與行漏電相耦合。
同樣地，列電流源定位于控制電路550處，以及列漏電定位于控制電路552處。第一列開關(guān)與列電流源相耦合，用于選擇一個所選則的列和所選則的列的選則的列線，以便向該選則的列線輸送電流。用來選則所選則的列線的第二列開關(guān)與列漏電相耦合。此外，該實施例還提供一個傳感器，用于確定該選則的MTJ胞的邏輯狀態(tài)。該傳感器例如可以是安培表或伏特表。
這樣，在該實施例中，選擇的MTJ胞(比如MTJ單元502)的讀取序列可以通過利用第一行開關(guān)選擇行讀取線520以及利用第二列開關(guān)選擇列讀取線526來執(zhí)行。電流沿著讀取弧(read arc)從行電流源流到列漏電。該讀取弧也經(jīng)過所選擇的MTJ胞502。通過檢測電流或電壓降，該器件可以確定所選擇的MTJ單元的邏輯狀態(tài)。
類似地，該選擇的MTJ胞502的寫入序列可以通過如下方式完成同時利用該第一行開關(guān)和該第二行開關(guān)來選擇行寫入線532。此外，該列寫入線538可以同時利用該第一列開關(guān)和該第二列開關(guān)來選擇。電流同時流經(jīng)該選擇的寫入線并產(chǎn)生指向該選擇的MTJ胞502的組合磁場。如果該組合磁場足夠大，該選擇的MTJ胞的磁化方向就會反轉(zhuǎn)-這就切換了該選擇的MTJ胞502的邏輯狀態(tài)。
盡管圖5的MTJ單元的形狀是正方形的，但是應(yīng)該認(rèn)識到，這些單元可以形成為許多形狀，包括長方形或橢圓形。在一個優(yōu)選實施例中，MTJ單元被形成為具有長軸(易軸)和短軸(難軸)。磁化方向一般是沿著MTJ的單元長軸的方向。
在另一個實施例中，在每一個控制電路546-552中均使用多個開關(guān)。這樣，比如，電流可以在從行電流源到行讀取線520的路徑中流經(jīng)兩個和多個開關(guān)。例如，第一開關(guān)可以選擇所選擇的行，而第二開關(guān)或者選擇讀取線或者選擇寫入線。在一個實施例中，開關(guān)都具有沒有選擇任何線的打開位置。
本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員可以認(rèn)識到，每個MTJ胞都可以代表被布置成具有作為冗余的互補邏輯狀態(tài)的一對MTJ單元(互補MTJ單元)。在寫入模式中，該互補MTJ單元可以被布置成以使同樣的寫入線被用來切換該互補MTJ單元的相應(yīng)的邏輯狀態(tài)。在另一個實施例中，行寫入線同時通過該互補的MTJ單元附近，同時單個列寫入線不通過該互補的MTJ單元附近。此外，可以給每個胞提供閂鎖電路(例如觸發(fā)器)，以存儲該MTJ單元的邏輯值。
6.結(jié)論以上描述了多種實施方式。更一般地來說，本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員將理解，在不偏離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的真正范圍和精神的前提下，可以對這些實施方式進行更改或修改。盡管在這些實施例中，各單元是以行和列的形式排列的，但是這些是任意確定的，并且可以變換而不改變性能。
權(quán)利要求
1.一種磁阻存儲胞，其包括具有第一面和第二面的磁隧道結(jié)單元；與所述第一面相耦合的第一讀取線；通過第一絕緣體與所述第一讀取線相分開的第一寫入線；與所述第二面相耦合的第二讀取線；以及通過第二絕緣體與所述第二讀取線相分開的第二寫入線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻存儲胞，其中所述磁隧道結(jié)單元包括夾在磁性自由層和磁性釘扎層之間的阻障層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的存儲胞，其中所述磁性釘扎層包括可磁化參考層；以及用于釘扎所述可磁化參考層的磁化方向的反鐵磁層，其中所述可磁化參考層的磁化方向?qū)嵸|(zhì)上保持固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲胞，其中所述第一寫入線與所述第二寫入線垂直，以及其中所述第一讀取線與所述第一寫入線平行，以及其中所述第二讀取線與所述第二寫入線平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲胞，其中所述第一寫入線與所述第二寫入線垂直，以及其中所述第一讀取線與所述第二寫入線平行，以及其中所述第二讀取線與所述第一寫入線平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲胞，還包括接地；以及耦合在所述第二讀取線和所述接地之間的開關(guān)。
7根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲胞，還包括與所述第一讀取線耦合的第一開關(guān)；以及與所述第二讀取線耦合的第二開關(guān)，由此當(dāng)所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)都閉合時讀取電流流經(jīng)所述胞。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的存儲胞，還包括測量所述讀取電流的安培表。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的存儲胞，還包括用于測量所述磁隧道結(jié)單元兩端的電壓的伏特表。
全文摘要
一種配備有獨立的讀取和寫入構(gòu)造的磁阻器件。在一個實施例中，磁隧道結(jié)(MTJ)具有一個非磁性、非導(dǎo)電的阻障層，該阻障層夾在兩個導(dǎo)電的鐵磁層(202)之間。第一讀取線(204)與第一鐵磁層耦合，第二讀取線(206)與第二鐵磁層耦合，以使兩個讀取線之間的電壓差產(chǎn)生垂直流過MTJ的每一層的電流。第一絕緣體將第一寫入線(208)與第一讀取線分開，第二絕緣體將第二寫入線(210)與第二讀取線分開。
文檔編號G11C11/16GK1930628SQ200580007009
公開日2007年3月14日 申請日期2005年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月10日
發(fā)明者R·R·卡蒂 申請人:霍尼韋爾國際公司