CN100524531C

CN100524531C - 利用磁性写线的mram的存储器

Info

Publication number: CN100524531C
Application number: CNB2003801054418A
Authority: CN
Inventors: 臧大化
Original assignee: Applied Spintronics Technology Inc
Current assignee: Applied Spintronics Technology Inc
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2023-12-09
Also published as: CN1739166A

Abstract

本发明公开一种用于提供和使用一种磁性随机存取存储器的方法和系统。该方法和系统包括提供多个磁性存储器单元、第一组多条写线和第二组多条写线。该第一组多条写线是多条磁性写线。多条磁性线中的至少一条和第二组多条写线中的至少一条的每一条都承载用于写入多个磁性存储器单元的至少一个的电流。优选地，多条磁性写线具有软磁特性，并且优选地是磁性位线。对于磁性存储器单元中磁性隧道结堆叠，磁性位线优选地明显比磁性存储器单元的自由层厚，并且与磁性存储器单元的自由层紧密间隔。

Description

利用磁性写线的MRAM的存储器

对相关申请的相互参考

本申请在35 USC 119(e)下要求在2002年12月9日提交的序号为第60/431,741号的临时专利申请的优先权。

本申请与题目为“HIGH DENSITY AND HIGH PROGRAMMINGEFFICIENCY MRAM DESIGN”、在2003年2月5日提交的并转让给本申请的受让人的未决美国专利申请第60/444,881号(2817P)相关。本申请与题目为“MRAM ARCHITECTURE AND A MAETHOD ANDSYSTEM FOR FABRICATING MRAM MEMORIES UTILIZING THEARCHITECTURE”、在2003年6月26日提交的并转让给本申请的受让人的未决美国专利申请第10/606,557号(2818P)相关。本申请与题目为“MRAM ARRAY WITH MAGNETIC WRITE LINES”、在2003 年8月21日提交的并转让给本申请的受让人的未决美国专利申请第10/646,455号(2780P)相关。

技术领域

本发明涉及磁性存储器，并且更具体而言涉及一种用于提供磁性随机存取存储器(MRAM)的方法和系统，其中该磁性随机存取存储器优选地为高密度、非易失性，并且其结合了具有改进的写效率、易于制造，和具有抵抗电迁移的较好可靠性的写线。

背景技术

动态随机存储器(DRAM)、闪存存储器(FLASH)、和静态随机存储器(SRAM)是市场上三种主要的半导体存储器。尽管DRAM的生产成本最低，但DRAM具有一些缺点。DRAM是易失性的，因此，当关掉电源时丢失数据。此外，DRAM需要更新，具有相对低的速度和具有高的功耗。FLASH存储器提供了非易失性，但其速度非常低。另外，FLASH存储器的写周期耐久性通常少于1000,000次周期。这些缺点限制了FLASH存储器在一些高数据速率市场中的应用。SRAM是快速存储器，但其为易失性的，并且每个单元占据相对大量的硅面积。为了寻求提供高速度、非易失性、小单元面积、和良好耐久性的通用随机存取存储器，开发出了薄膜磁性随机存取存储器(MRAM)。

传统的薄膜磁性随机存取存储器能用多种传统的存储器单元类型制造，包括：各向异性磁阻(AMR)单元、巨磁阻(GMR)单元、和磁性隧道结(MTJ)单元。因为传统MTJ单元最容易生产和使用，其将被用作贯穿此公开的基本实例。然而，本领域普通技术人员将了解这些概念也适用于其它MRAM单元和阵列。这些传统MTJ单元本质上包括一个MTJ堆叠。该MTJ堆叠包括一对磁性层，磁性层之间夹有一个绝缘体层。其中一个磁性层，即栓层(pinned layer)，具有一个固定磁矢量(固定磁化强度)。另一个磁性层(自由层)具有一个可变磁矢量(可变磁化强度)，其稳定地排列成与栓层中的固定磁矢量平行或者实际上反向平行。当磁矢量重合时，传统MTJ堆叠以及由此传统MTJ单元的电阻，即对于两个磁性层之间电流的电阻，为最小值。当磁矢量是相反或者不重合时，传统MTJ单元的电阻为最大值。

通过给传统MTJ单元施加一个磁场而将数据存储在传统MTJ单元中。所施加的磁场具有一个选定方向以将自由层的可变磁矢量移动到一个被选方向。换句话说，通常通过施加一个能改变自由层的磁矢量方向的磁场来写传统MTJ单元。通常，重合的方向可以被设计成逻辑1或者0，而不重合的方向相反，即分别为逻辑0或者1。通过使电流从一个磁性层到另一个磁性层流过传统MTJ单元来读取或者传感已存储的数据。流过传统MTJ单元的电流量，或者传统MTJ单元两端的电压降将根据可变磁矢量的方向而改变。

通常用实际上彼此垂直的两根导线来施加到用于改变可变磁矢量的方向的磁场。当电流同时流过这两根导线时，产生两个与这两根导线中的电流相关的磁场。这两个磁场作用于自由层的可变磁矢量以定向该可变磁矢量的方向。

图1描述了传统磁性存储器的一部分，其包括传统互相垂直的导线10和12、传统磁性存储器单元11和传统晶体管13。传统磁性存储器单元11在传统导线10和12之间并且位于两根导线的交叉点处。图1中描述的磁性存储器单元是一个由传统MTJ堆叠构成的传统MTJ单元。传统线10和传统线12通常分别被称为字线和位线。然而，这些名字可互换。也可以使用其它名字，比如行线、列线、数字线和数据线。

传统MTJ11堆叠主要包括具有可变磁矢量(未明确示出)的自由层1104、具有固定磁矢量(未明确示出)的栓层1102、以及位于两个磁性层1104和1102之间的绝缘体1103。绝缘体1103通常具有一个足够薄的厚度以允许磁性层1102和1104之间的电荷载流子的隧穿。层1101通常是一种有多个籽晶层和一个抗铁磁层的合成材料，其中抗铁磁层坚固地耦接至栓磁层。

在写入期间，传统位线12中流动的电流I₁和传统字线10中流动的电流I₂在自由层1104上产生两个磁场。响应于该磁场，自由层1104中磁矢量被定向的方向取决于I₁和I₂的方向与幅度以及自由层1104的特性与形状。通常，写入零(0)时需要I₁或者I₂的方向与当写入一(1)时不同。在读取期间，该传统晶体管13开启并且一个小的隧穿电流流经传统MTJ单元。测量流过传统MTJ单元11的电流量或者传统MTJ单元11两端的电压降以确定存储器单元的状态。在一些设计中，传统晶体管13被二极管取代，或者完全省略，传统MTJ单元11直接与传统字线10接触。

尽管上述传统MTJ单元11能用传统字线10和传统位线12写入，本领域普通技术人员将容易地认识到大多数设计中的I₁或者I₂的幅度是大约几个毫安级。因此，本领域普通技术人员也将认识到很多存储器应用需要一个小的写入电流。

图2描述了具有较低写入电流的传统磁性存储器的一部分。在美国专利第5,659,499号、第5,940,319号、第6,211,090号、第6,153,443号、和美国专利申请出版物第2002/0127743号中描述了类似系统。在这些参考中公开的传统系统和用于制造这些传统系统的传统方法用软磁覆盖层将位线和字线的不面对MTJ单元11’的三个表面封装起来。图2中描述的传统存储器的很多部分与图1中描述的那些类似，因而标注类似。

图2中描述的系统包括传统MTJ单元11’、传统字线10’和位线12’。传统字线10’由两部分组成：铜芯线1001和软磁覆盖层1002。同样，传统位线12’由两部分组成：铜芯线1201和软磁覆盖层1202。

相对于图1中的设计，软磁覆盖层1002和1202能将与I₁和I₂相关的磁通量集中到MTJ单元11’上，并且减少不面对MTJ单元11’的表面上的磁场。因此，软磁覆盖层1002和1202将磁通量集中到组成MTJ单元11’的MTJ上，使得自由层1104更易于编程。尽管这种方法理论上效果良好，本领域普通技术人员将容易地认识到分别在传统线10’和12’的垂直侧壁上的软覆盖层1002和1202部分的磁性很难控制。本领域普通技术人员也将认识到制造传统字线10’和传统位线12’的工艺很复杂。复杂的制造方法给标定(scaling)更高密度提出了重大挑战。因此，非常希望提供一种MRAM体系结构，其能够标定和易于制造，并且提供高写入效率。

此外，图1和图2中描述的传统设计的传统写线10、10’、12、12’限制可标定性。在这些传统设计中，传统写线10、10’、12、12’大部分由铝或者铜制成。铝和铜的电流密度极限是大约1×10⁶A/cm²级或者更低。当降低线宽以增加存储密度时，电迁移电流密度极限对标定提出了严峻挑战。

其它传统系统努力提出了不同的解决方案，其中每一个具有它的缺点。例如，美国专利申请出版物第2002/0080643号提出在一个写入操作之后给写线施加一个反向电流以防止电迁移。但这些传统方法因降低了存储速度和增加了复杂性而损害了性能。因此，也非常希望具有由在电迁移上有高可靠性的材料制成的写线，其将允许对高密度存储器阵列的容易的可标定性。

可能用于更小或者更有效存储器的传统细位线具有一些缺点。较细的传统位线具有更高的电阻。这不利地影响全部存储器阵列的性能。然而，有很多克服这个问题的传统方法。一个普通惯例是将存储器阵列中的长位线分割成由粗金属制成的全局位线，并将这些全局位线连接到由较细金属制成的局部位线，从而具有较高电阻。这个设计的实例在美国专利No.6,335,890号和美国专利申请出版物No.2002/0034117号中有教导。然而，上述的其它问题，比如电迁移仍然没有克服。

因此，需要一个用于提供可标定的、有效的、低电流磁性存储器的系统和方法。本发明致力于满足这种需要。

发明内容

本发明公开一种用于提供和使用一种磁性随机存取存储器的方法和系统。该方法和系统包括提供多个磁性存储器单元、第一组多条写线和第二组多条写线。该第一组多条写线是多条磁性写线。多条磁性线中的至少一条和第二组多条写线中的至少一条的每一条都承载用于写入多个磁性存储器单元的至少一个的电流。优选地，多条磁性写线具有软磁特性，并且优选地是磁性位线。对于磁性存储器单元中磁性隧道结堆叠，磁性位线优选地明显比磁性存储器单元的自由层厚，并且与磁性存储器单元的自由层间紧密间隔。

根据这里公开的系统和方法，本发明提供一种具有改进效率、改进的抵抗电迁移可靠性、更易于制造的磁性存储器。

附图说明

图1是一个传统磁性存储器的一部分的三维视图，该存储器包括一个位于位线和字线交叉点处的MTJ单元。

图2是一个传统磁性存储器的一部分的三维视图，该存储器包括一个位于位线和字线交叉点处的MTJ单元，其中该位线和字线具有磁性覆盖层以改进写入效率。

图3a、图3b和图3c分别是根据本发明的磁性存储器的一个实施例的一部分的侧视图、横截面视图、和平面图，该存储器包括一个位于具有磁性位线的MRAM单元中的MTJ堆叠。

图4是根据本发明的磁性存储器的一个实施例的MTJ单元和位线的平面图，以及MTJ单元的自由层的磁矢量和静态的磁性位线的图示。

图5是根据本发明的磁性存储器的一个实施例的MTJ单元和位线的平面图，以及MTJ单元的自由层的磁矢量和当一个写入电流在位线中流动时的磁性位线的图示。

图6是根据本发明的磁性存储器的一个实施例的MTJ单元和位线的横截面视图，其显示了由金属隔片层中的电流部分产生的场。

图7是根据本发明的包括一个存储器单元的MRAM的一个实施例的一部分的横截面视图。

图8是根据本发明的包括一个存储器单元的MRAM的另一个实施例的一部分的横截面视图。

具体实施方式

本发明涉及一种磁性存储器中的改进。对下面的描述进行介绍以使本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明，该描述提供在专利申请和其要求的上下文之间。对于本领域普通技术人员来说，对优选实施例的各种修改都是很明显的，并且在此的普通原理可以应用于其它实施例。因此，无意将本发明限制于示出的实施例，而有意使本发明与跟在此描述的原理和特征相一致的最宽范围相一致。

本发明公开一种用于提供和使用一种磁性随机存取存储器的方法和系统。该方法和系统包括提供多个磁性存储器单元、第一组多条写线和第二组多条写线。该第一组多条写线是多条磁性写线。多条磁性线中的至少一条和第二组多条写线中的至少一条的每一条都承载一个用于写入多个磁性存储器单元的至少一个的电流。优选地，多条磁性写线具有软磁特性，并且优选地是磁性位线。对于磁性存储器单元中磁性隧道结堆叠，磁性位线优选地明显比磁性存储器单元的自由层厚，并且与磁性存储器单元的自由层紧密间隔。

将根据特定类型的磁性存储器单元、特定材料和特定元件构造来描述本发明。然而，本领域普通技术人员将容易地认识到本方法和系统对于和本发明不矛盾的其它磁性存储器单元、其它材料和构造将有效实施。例如，尽管MTJ堆叠被描述成包括单磁性层，但并不阻止使用其它材料、其它合金和合成层。本领域普通技术人员也将容易地认识到尽管根据磁性位线来描述本发明，但本方法和系统兼容磁性字线、数位线、或者仅仅写线。

为了更详细地描述根据本发明的方法和系统，现在参照图3a、3b和3c，描述根据本发明的磁性存储器比如MRAM的一个实施例的一部分。图3a描述了根据本发明的磁性存储器的一部分的侧视图。该MRAM包括比如磁性位线32的多条字线(未示出)、位线和其中一个在图中示出的MRAM单元。显示的MRAM单元31包括一个MTJ堆叠31。该MTJ堆叠31包括两个磁性层：栓层3101和自由层3103。自由层3103具有一个可变磁矢量，栓层3101具有一个固定磁矢量。磁性层3101和3103优选地由比如镍、钴、铁或者其合金等磁性材料制成。也可以添加其它元素，比如硼、氮来产生需要的磁性。虽然自由层3103和栓层3101每一个在图中显示为一个单独层，本领域普通技术人员应清楚每一层也可以是多个磁性层的合成。栓层3101通常用一个在3101下面的抗铁磁层固定，这里未示出，或者用本领域普通技术人员所熟悉的其它方式。

绝缘体层3102将两个磁性层分割开。绝缘体3102优选地为氧化铝、其它氧化物、或者两个或更多氧化物层的合成。绝缘体3102也优选地足够薄以允许磁性层3101和3103之间的电荷载流子的隧穿。自由层3103优选地被一个金属层3104覆盖。在图示中，覆盖层优选地由高导电率金属比如铜、金、银、铑、钌、铝和钽制成。如果铜被用作覆盖层，钴-铁(未示出)通常被用作扩散势垒。在此情况下，自由层3103的顶部应该至少包括一个几埃厚的薄钴-铁层以防止铜从覆盖层3104扩散到自由层3103。当镍-铁是自由层3101的一部分时，这种扩散势垒特别有用。

磁性位线32与MTJ堆叠31交叉，并且优选地和金属覆盖层3104接触。在本发明中，位线32是磁性的。磁性位线32的主要部分，优选地为全部，是由磁性材料制成的，这些磁性材料比如镍、钴、铁或者其合金，比如NiFe。构成磁性位线32的磁性材料是一种软磁材料。在一个实施例中，磁性位线32的核心(中心部分)是磁性的。在一个优选实施例中，磁性位线32的大部分或者全部是磁性的，除了比如籽晶层的层。磁性位线32可以进一步是几个磁性层的合成。如果铜被用作金属覆盖层3104，磁性位线31应该至少包括一个钴铁层(未分别示出)作为铜金属覆盖层3104和磁性位线32之间的扩散势垒。虽然磁性位线32优选地主要由磁性材料制成，磁性位线32也可以具有非磁性金属籽晶层。然而，因为下面论述的原因，磁性位线32的磁性部分和自由层3103之间的间隔优选地为大约300埃或者更小。在一个优选实施例中，MTJ堆叠34的金属籽晶层(未示出)和非磁性覆盖层3104的合成厚度仍然是大约300埃或者更小。

图3b显示了根据本发明的磁性位线32和MTJ堆叠31的结构的横截面视图。磁性位线32具有宽度W32。MTJ堆叠31具有宽度W31。在本发明中，磁性位线宽度W32优选地等于或者大于MTJ堆叠宽度W31。在图3b中，磁性位线宽度W32大于MTJ堆叠宽度W31。然而，可以用自对准图案化工艺产生一条磁性位线32和MTJ堆叠31大体相等的宽度，和两者之间基本理想的对准。在这种工艺中，用一种蚀刻工艺，比如离子研磨(ion milling)确定磁性位线宽度W32和MTJ堆叠宽度W31。

图3c是根据本发明的磁性位线32和MTJ堆叠31的实施例的平面图。在图3C中，显示了MTJ堆叠31为矩形，其长轴基本上排列为与磁性位线32对准。因此，MTJ堆叠31具有各向异性的形状，以使得自由层3103的磁矢量基本上沿着磁性位线32的纵向。在下面的描述中，我们将继续假定该形状各向异性。然而，应注意到自由层3103的磁矢量的其它形状和其它方向也与本发明相符合。例如，应注意到本发明也对自由层的方向与位线的纵向垂直的易磁化轴起作用。

图4是在图3a、3b和3c中描述的自由层3103和磁性位线32的MRAM的一部分的实施例的平面图。在图4中，显示了磁性位线32的磁矢量M321、M322和M323的示意性表示。根据本发明，这些磁矢量定向为在纵向上基本上平行于位线。在图4中也示出了自由层3103的磁矢量M311/M312。在静态下，自由层的磁矢量M311/M312将处于易磁化轴方向。因此，为了示例之目的，自由层矢量显示为或者M311或者M312，表示存储器单元的两个逻辑状态。另外，图4描述了由于MTJ堆叠31的形状，MTJ堆叠31的自由层3103的易磁化轴平行于基本上与磁性位线32对准的长轴。然而，可以以另一种方式形成自由层3103的易磁化轴，如由于内在的和/或应力各向异性。在一个优选实施例中，由形状、内在的各向异性和应力形成的各向异性的组合形成自由层的易磁化轴。

图5描述了写期间的磁性存储器的一部分的一个实施例。图5显示了磁性位线32和自由层3103的磁矢量，如在图4所描述的那样，存在有在磁性位线32中流动的写电流I₃₂。假定该逻辑状态对应于自由层磁矢量M312。电流I₃₂根据右手定则感应出旋转自由层的磁矢量M312的磁场。因此，如图5所示，自由层3103的磁矢量M312向下旋转。因为磁性位线32的磁矢量M322紧密地接近自由层31，M322与自由层的磁矢量M312有强力的静磁耦合。结果，M322也如图5所示向上旋转，以在垂直于磁性位线32的方向上形成了磁通闭合。

在一个优选实施例，磁性位线32的磁矩比自由层3103的磁矩大很多。优选地，这通过使磁性位线32的厚度比自由层3103的厚度厚来保证。由于磁性位线32的力矩比自由层3103的力矩大很多，所以位线磁矢量M322的旋转角θ322要比自由层磁矢量M312的旋转角θ312小很多。在一个优选实施例中，贯穿整个写操作，磁性位线32的磁矢量M322因此基本保持在磁性位线32的纵向方向上。换言之，在自由层磁矢量期间反转，磁性位线32的磁矢量M322仅从位线纵向方向偏离一个很小的角度。在一个优选实施例中，位线磁矢量M322的旋转角θ322的正弦与自由层磁矢量M312的旋转角θ312的正弦之比粗略地如下所述，

sin(θ322)/sin(θ312)～(自由层3103的总力矩)/(磁性位线32的总力矩)。

通过保证磁性位线32的磁矩至少10倍于自由层3103的磁矩，允许位线磁矢量有小的转角。实际上，磁矩的这种差别优选地通过提供线厚度为至少300埃或更大的位线32来实现。

期望用磁性位线32的磁矢量M322的小转角θ322来改进磁性位线32的写效率而不用对字线30的写效率打折扣。如图5所示，磁性存储器也包括字线30，在一个优选实施例中，字线30基本上与磁性位线32垂直。在写期间，电流I₃₀流进字线30，同时电流I₃₂流进磁性位线32。两个电流的合成(I₃₀和I₃₂)和字线电流I₃₀的极性决定自由层3103的磁矢量(M311/M312)的最后方向。换言之，两个电流I₃0和I₃₂结合起来写MTJ堆叠31。在写期间，I₃₀产生基本上沿着磁性位线32纵向的磁场F30。磁场F30的极性或者向左或者向右，如图5所示，这由电流I₃₀的极性确定。磁场F30的极性确定要被写到MTJ单元31的逻辑状态。

磁场F30不但在位线磁矢量M322也在自由层磁矢量M312上产生一个转矩。当θ312比θ322大很多时，由磁场F30在自由层磁矢量M312产生的转矩要比在位线磁矢量M322上的转矩大很多。此外，当e322小得可以忽略时，M322上的转矩也可以忽略。结果，位线磁矢量M322基本保持沿着磁性位线32纵向，并且保持磁通闭合。这样，通过磁通闭合大大提高了磁性位线32的写效率同时字线30的写效率没有打折扣。

除了磁性位线32的厚度要比自由层3103厚很多之外，为了在磁性位线磁矢量M322和自由层磁矢量M311/M312之间获得更有效的磁通闭合，磁性位线32和自由层3103之间的间距要足够的小。因此，在一个优选实施例中，磁性位线32的厚度要比自由层3103的厚度大很多，而磁性位线32和自由层3103之间的间距足够小。然而，在另一个实施例中，可以省略这些特征的一个或多个。例如，磁性位线32和自由层3103之间的间距足够小，但是磁性位线32和自由层3103之间厚度差也可以是小的。使用传统的用于两个磁性层的磁通闭合的特征长度可以评估所期望的间距。由于优选为磁性位线32要比自由层3103的厚很多，所以特征长度大概为(μgt/2)^0.5，其中μ是自由层的磁导率，g是磁性位线32和自由层3103之间的间距，而t是自由层3103的厚度。MTJ堆叠31的宽度W31优选地比特征长度大很多，以避免明显的边缘卷曲壁。结果，从下述关系能确定所期望的间距：

(μgt/2)^0.5<W31。

在今天的申请中，该关系的意思是对于如所期望那样小的间距，间距应该在300埃或更小的量级。因此，在一个优选实施例中，自由层3103和磁性位线32之间的间距小于300埃，而磁性位线32的厚度大于300埃。

图6显示了如在图3b中描述的磁性位线32和MTJ31的一个实施例的横截面视图。在写期间，磁性位线32中的电流I₃₂的一部分被金属覆盖层3104分流。金属覆盖层中电流I₆₁分别在磁性位线32和自由层3103中产生磁场F61和F62。这两个磁场F61和F62在方向上相反，进一步增强了磁性位线32和自由层3103之间的磁通闭合。因此，希望覆盖层3104为高导电率金属来增强磁性位线32和自由层3103之间的磁通闭合。在一个优选实施例中，覆盖层3104包括铜、金、银、铑、钌、铝和钽、其它公知的良导体和其合金。

如果将铜用作覆盖层3104，通常将钴离子(未示出)或其它合适材料用作介于金属覆盖层3104和自由层3103之间的扩散势垒。在这样的一个实施例中，自由层3103优选地包括位于其顶部的至少几埃的薄钴离子层(未示出)以防止铜扩散进自由层3103。当镍离子是自由层3103的一部分时，该扩散壁垒尤其有用。由于类似因素，可以将一个钴离子层(未示出)放在铜覆盖层3104和磁性位线32之间，特别是当将镍离子用作磁性位线32的一部分时。

为了减少磁性位线32的电阻，也可以将一个高导电率非磁性金属薄层放置为磁性位线32的籽晶层(未示出)。然而，该籽晶层的厚度优选地足够小以使得非磁性籽晶层和覆盖层3104的合并厚度大约为300埃或更薄。

虽然使用带有位于薄绝缘体层3102之上的自由层3103的MTJ堆叠31来描述根据本发明的方法和系统，然而本领域普通技术人员将很容易认识到也对其它磁性结构起作用。这些磁性结构包括，但是不局限于一个具有位于绝缘体隧穿层之下的自由层的MTJ堆叠(未示出)和一个具有两个绝缘体隧穿层与夹在两个绝缘体层的自由层的MTJ堆叠(未示出)。在每个结构中，优选的是自由层和磁性位线之间的间距是处于300埃或更小的量级。在不同的结构中，该优选厚度考虑了位于磁性位线32和自由层3103之间的任意层，如覆盖层、栓层或其它层。

此外，本领域普通技术人员也容易认识到磁性位线不需要放置在MTJ堆叠31的上部。例如，磁性位线32也可以位于MTJ结构之下。也不需要在磁性位线32和MTJ堆叠31之间有电连接。在这样一个实施例中，该磁性线也叫做写线。此外，在另一个实施例中，写线和位线都可以是磁性的。然而，在所有的实施例中，优选的是即便磁性写线和带有可变的磁矢量的自由层之间的间距大约是300埃或更少，并且磁性写线的厚度大于300埃。

图7描述了根据本发明的MRAM存储器的一部分的一个实施例。很多部件类似于在图3a-3c、4、5和6中描述的磁性位线32、存储器单元/MTJ堆叠31和字线30。因此，对很多部件的标注类似。例如，图7中的MTJ堆叠31’对应于在图3a-3c、4、5和6中描述的MTJ堆叠31。参照图7，除了如上所述的磁性位线32’和MTJ堆叠31’之外，还描述了字线30’、旁路接线78、导电层79、地线77和衬底72中的晶体管81。字线30’显示为与磁性位线32’垂直。MTJ堆叠31’通过导电层79和旁路接线78连接至晶体管81的源极74。晶体管优选地是一个FET晶体管。FET晶体管81的漏极73通过一个触点75连接至地线77。FET晶体管81的门76连接至读字线(未示出)。尽管示出的结构是优选的，然而本领域普通技术人员将容易地认识到很多其它的结合了根据本发明的磁性位线的不同结构也是可行的。例如，可用二极管(未示出)代替晶体管81。MRAM单元(未示出)不带有晶体管或二极管也是可行的。

图8显示了根据本发明的MRAM的一部分的另一个实施例。很多部件类似于在图3a-3c、4、5、6和7中描述的磁性位线32”、存储器单元/MTJ堆叠31与31’和字线30与30”。因此，对很多部件的标注类似。例如，图8中的MTJ堆叠31”对应于在图3a-3c、4、5、6和7中描述的MTJ堆叠31与31’。类似地，晶体管81’对应于图7中的晶体管81。字线80对应于图3a-3c、4、5、6和7中的字线30与30’。参照图8，MRAM包括磁性位线32”、MTJ堆叠31”、旁路接线78’、地线77’和衬底72’中的晶体管81’。磁性位线32”、MTJ堆叠31”和字读线80基本上与参照图7描述的相同。然而，不象图7中的字线30，图8中的字线80’放置在磁性位线32”之上。为了保持字线80’的写效率，磁性位线32”的厚度优选地尽可能的薄。在正常设计中制造传统的这样薄的位线很难，其中位线是用铝或铜制成的。然而，在本发明这样薄的厚度是切实可行的。

如上所述，传统的薄位线有两个缺点。第一，较薄的传统位线具有高的电阻。这对整个存储器阵列的性能产生不利的影响。然而，有很多克服此问题的传统方法。一个普通惯例是将存储器阵列中的长位线分割成由粗金属制成的全局位线，并将这些全局位线连接到由较细金属制成的局部位线，从而具有较高电阻。然而，这些传统方法不使用磁性位线。另外，这些传统方法仍遭受其它缺陷的困扰，如下面所讨论的电迁移。

第二，传统薄金属线的电迁移将对可靠性带来不利的影响。例如，铜对于大约1×10⁶A/cm²或更少的电流密度具有相对较低的电迁移限制。铝线抗由于电迁移不受不利影响而承载电流的能力较低。相比而言，磁性材料如镍离子由于电迁移不受不利影响而承载电流的能力较高。例如，镍离子薄膜在硬盘驱动器中用作磁阻读传感器，并显示出具有超过10⁸A/cm²的承载电流的能力。这远大于铝和铜，因此允许用于更薄和/或更窄的位线。

由于软磁性薄膜如镍离子的优异电迁移特性，实践上就拥有了几百埃量级的薄位线。这将大大增强字线80的效率。尽管在图8中字线80显示为单线，然而本领域普通技术人员应理解为本发明包括多条有效的字线结构，如为了字线80使用覆盖层。

已经公开了一种用于提供具有改进的写效率、较好的可靠性和易于制造的磁性存储器的方法和系统。尽管已经根据显示的实施例描述了本发明，然而本领域普通技术人员将认识到存在有对实施例的改变，并且那些改变将在本发明的精神和范围之内。因此，不脱离所附的权利要求的精神和范围本，领域普通技术人员可以做出很多修改。

Claims

1.一种磁性存储器，其包括：

多个磁性存储器单元；

第一组多条写线，所述第一组多条写线是多条磁性写线，第一组多条写线中的每一条包括中心部分，所述中心部分包括写线的中心以及包括磁性材料；和

第二组写线，所述多条磁性写线中的至少一条和所述第二组多条写线中的至少一条的每一条都承载用于写入所述多个磁性存储器单元的至少一个的电流。

2.如权利要求1所述的磁性存储器，其中所述第一组多条写线包括多条电联接至所述多个磁性存储器单元的磁性位线。

3.如权利要求2所述的磁性存储器，其中所述多个磁性存储器单元包括多个磁性隧道结堆叠，所述多个磁性隧道结堆叠的每一个包括自由层、绝缘体层和栓层，所述自由层和所述栓层是铁磁体，所述绝缘体层位于所述自由层和所述栓层之间且其厚度允许电荷载流子在所述自由层和所述栓层之间隧穿。

4.如权利要求3所述的磁性存储器，其中所述多条磁性位线与所述自由层分离为小于或等于300埃。

5.如权利要求4所述的磁性存储器，其中所述多个磁性隧道结堆叠的每一个包括介于自由层和相应的磁性位线之间的非磁性间隔层，该非磁性间隔层导电。

6.如权利要求5所述的磁性存储器，其中该非磁性间隔层是高导电率的金属。

7.如权利要求6所述的磁性存储器，其中所述高导电率的金属包括金、铜、铝、铑、钌、钽和/或金、铜、铝、铑、钌、钽的一种合金。

8.如权利要求5所述的磁性存储器，其中该非磁性间隔层包括铜，并且其中所述相应的磁性位线包括一个处于铜和相应磁性写线的剩余部分之间的扩散势垒。

9.如权利要求8所述的磁性存储器，其中所述自由层包括处于所述铜和所述自由层之间的第二扩散势垒。

10.如权利要求9所述的磁性存储器，其中该扩散势垒和所述第二扩散势垒包括钴离子。

11.如权利要求3所述的磁性存储器，其中所述磁性位线具有比所述自由层的第二厚度厚的第一厚度。

12.如权利要求11所述的磁性存储器，其中第一厚度是第二厚度的10倍。

13.如权利要求11所述的磁性存储器，其中第一厚度至少300埃。

14.如权利要求1所述的磁性存储器，其中所述多条磁性写线包括软磁性材料。

15.如权利要求14所述的磁性存储器，其中所述软磁性材料包括钴、镍、铁和/或钴、镍、铁的合金。

16.如权利要求1所述的磁性存储器，其中所述多条磁性写线包括磁性层的多个合成。

17.如权利要求1所述的磁性存储器，其中所述多条磁性写线的每一条具有一条易磁化轴，该易磁化轴基本上被定向为平行于多条磁性写线的每一条的纵向方向。

18.如权利要求5所述的磁性存储器，其中所述非磁性间隔层和相应的写线放置在所述磁性隧道结堆叠之上，并且其中所述第二组多条位线放置在多条磁性写线之上且被定向为基本垂直于所述多条磁性写线。

19.如权利要求18所述的磁性存储器，其中多条磁性写线的厚度在300埃和3000埃之间，因此使得所述第二组多条写线和所述自由层之间的间隔最小。

20.如权利要求5所述的磁性存储器，其中磁性隧道结堆叠进一步包括第二绝缘体层和第二栓层，所述自由层夹在所述绝缘体层和所述第二绝缘体层之间，所述第二绝缘体层位于所述自由层和所述第二栓层之间。

21.如权利要求1所述的磁性存储器，进一步包括多个选择装置，所述多个选择装置中的每一个对应于多个磁性存储器单元中的每一个，其中所述多个选择装置中的每一个是一个包括一个门的场效应晶体管，该门连接至一条另外的读字线。

22.如权利要求1所述的磁性存储器，进一步包括多个选择装置，所述多个选择装置中的每一个对应于所述多个磁性存储器单元中的每一个，其中所述多个选择装置中的每一个是一个二极管。

23.如权利要求1所述的磁性存储器，其中第二组多条写线是第二组多条磁性写线。

24.一种利用磁性存储器的方法，该方法包括步骤：

(a)在写模式下，写多个存储器单元的第一部分，多个存储器单元耦接至第一组多条写线和第二组多条写线，第一组多条写线是多条磁性写线，第一组多条写线中的每一条包括中心部分，所述中心部分包括写线的中心以及包括磁性材料；多条磁性线中的至少一条和第二组多条写线中的至少一条的每一条都承载用于写入多个磁性存储器单元的至少一个的电流；以及

(b)在读模式下，从多个存储器单元的第二部分读出。

25.如权利要求24所述的方法，其中第一组多条写线包括多条电联接至多个磁性存储器单元的磁性位线。

26.如权利要求25所述的方法，其中多个磁性存储器单元包括多个磁性隧道结堆叠，所述多个磁性隧道结堆叠的每一个包括自由层、绝缘体层和栓层，所述自由层和所述栓层是铁磁体，所述绝缘体层位于所述自由层和所述栓层之间且其厚度允许电荷载流子在所述自由层和所述栓层之间隧穿。

27.如权利要求26所述的方法，其中多条磁性位线与所述自由层分隔开为小于或等于300埃。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述多个磁性隧道结堆叠的每一个包括介于所述自由层和相应的磁性位线之间的非磁性间隔层，该非磁性间隔层是导电的。

29.如权利要求28所述的方法，其中该非磁性间隔层是高导电率的金属。

30.如权利要求28所述的方法，其中该非磁性间隔层包括铜，并且其中相应的磁性位线包括一个处于铜和相应的磁性写线的剩余部分之间的扩散势垒。

31.如权利要求30所述的方法，其中自由层包括处于铜和自由层之间的第二扩散势垒。

32.如权利要求26所述的方法，其中磁性位线具有比自由层的第二厚度厚的第一厚度。

33.如权利要求32所述的方法，其中第一厚度至少为300埃。

34.如权利要求24所述的方法，其中所述多条磁性写线包括软磁材料。

35.如权利要求24所述的方法，其中多条磁性写线包括磁性层的多个合成物。

36.如权利要求25所述的方法，其中多条磁性写线的每一条具有一条易磁化轴，该易磁化轴基本上被定向为平行于多条磁性写线的每一条的纵向方向。

37.如权利要求24所述的方法，其中第二组多条写线是叠组多条磁性写线。