CN100557702C - 高密度磁阻存储器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高密度磁阻存储器及其制造方法。该磁阻存储器包括：存储信息的存储单元；导线，与该存储单元接触，以通过产生磁场来改变存储单元的磁化方向；以及至少一个磁通量聚集岛(FCI)，位于该导线与存储单元之间，以将磁通量聚集到该存储单元上。磁通量被聚集到该存储单元上，以减少所需的电流并提高了选择率，从而形成一个高密度且高度集成化的存储单元。

Description

高密度磁阻存储器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种高密度磁阻存储器及其制造方法，尤其涉及一种用于实现高选择率的磁阻存储器及其制造方法。
背景技术
图1是一传统磁性随机存取存储器(MRAM)阵列的视图。参见图1，该传统MRAM利用产生于施加了电流的数位驱动线1和位线3上的磁场通过反转位于数位驱动线1和位线3之间的存储单元5的磁化方向而存储信息。不过，因施加到数位驱动线1和位线3上的电流而产生的磁场会影响位于存储单元5周围的存储单元7和9，该存储单元5位于数位驱动线1和位线3相交的位置上。特别是，在一个逐渐变得紧凑且具有高存储密度的存储单元中，存储单元的矫顽磁性增大，且需要用于反转磁化方向的电流值也增大了。这样，磁场就会影响存储单元5旁边的外围单元7和9，并反转磁化方向，从而可能增加存储器的误操作。
为了克服上述MRAM的缺陷，图2示出了一个传统磁阻存储器的示例，该存储器具有一个能将磁通量聚集在存储单元上的结构。图2是一在美国专利No.5659490中披露的MRAM的横剖图。
参见图2，MRAM35包括一个基底11和一个存储单元14，该存储单元14中存储有作为基底11上磁化矢量的信息。存储单元14是由磁阻(MR)材料制成的，它具有一个多层结构，该结构在磁性材料之间包括一个绝缘层，具有箭头表示的长度21(L)和与地面垂直的宽度。一种柱导电材料12用于将柱状的存储单元14连接到另一存储单元。一种电介质材料13被覆盖到存储单元14和导电材料12上，从而使它们与数位驱动线的导电材料36绝缘。数位驱动线的导电材料36被布置成与存储单元14相交成直角。高导磁性材料17和18被覆盖到导电材料36的顶面和侧面上，导电材料36位于数位驱动线上以根据施加到数位驱动线导电材料36上的电流改变磁化方向并将磁场聚集到存储单元14内的磁性材料上。高导磁性材料31和32作为条带形成在存储单元14的左右上部，以支持高导磁性材料17和18的磁通量聚集功能。高导磁性材料32和33之间的距离37小于存储单元14的宽度。
美国专利No.6174737还披露了一种改进的MRAM及其制造方法，其与美国专利No.5656499中披露的MRAM结构相似。不过，用于聚集磁通量的传统导电层在位线或数位驱动线的上部形成为条带图案(stripepattern)，从而将磁通量分布在一个没有存储单元的部分上，这样，磁通量就不能有效地聚集在所希望的存储单元上。并且，该条带图案应在形成存储单元之后制得，因此，就不容易执行制造工艺。
发明内容
本发明提供了一种磁阻存储器，其具有磁通量聚集结构，由此可将磁通量有效地聚集到一个存储单元上，还提供了一种磁阻存储器的制造方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种磁阻存储器，包括：存储信息的存储单元；导线，该导线接触所述存储单元以通过产生一个磁场来改变存储单元的磁化方向；以及至少一个磁通量聚集岛(FCI)，位于所述导线与存储单元之间以将磁通量聚集到存储单元上，其中，所述导线包括磁通量聚集层，以在不与存储单元接触的表面上将磁通量聚集到存储单元上。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造磁阻存储器的方法，包括：在基底上形成存储单元和导线，所述导线使电流对所述存储单元起作用；在所述存储单元和导线之间形成FCI，将磁通量聚集到该存储单元上；形成磁通量聚集层，以在不与存储单元接触的表面上将磁通量聚集到存储单元上。
所述导线可为位线或数位驱动线，该数位驱动线与位线相交成直角，同时所述存储单元介于所述位线与数位驱动线之间。
所述导线可包括磁通量聚集层(FCL)，以在不与存储单元接触的表面上将磁通量聚集到所述存储单元上。
FCI和FCL可采用一种具有高导磁性的材料形成。
FCI和FCL可将选择率提高5％或更多。
附图说明
通过参照附图详细地描述本发明的示范性实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加明显。其中：
图1是一传统磁性随机存取存储器(MRAM)的视图；
图2是一披露在美国专利No.5659490中的MRAM的横剖图；
图3是一本发明实施例中的磁阻存储器的透视图；
图4A是无磁通量聚集岛(FCI)的导线的横剖图；
图4B是其上安置有FCI的导线的横剖图；
图4C是其上安置有磁通量聚集层(FCL)的导线的横剖图；
图4D是其上安置有FCI和FCL的导线的横剖图；
图5A至5D是模拟结果的视图，其中电流被施加到图4A至4D中所示的各存储单元上。
具体实施方式
图3是本发明一实施例中磁阻存储器的透视图。参见图3，磁阻存储器50包括：在基底57上形成为条带的位线53；位于位线53上的存储单元55；数位驱动线51，与存储单元55的顶面接触并形成为与位线53相交成直角的条带；位线的磁通量聚集岛(FCI)56，位于位线53附近，主要将产生自位线53的磁场聚集到存储单元55上；以及数位驱动线的FCI54，位于数位驱动线51附近，主要将产生自数位驱动线51的磁场聚集到存储单元55上。此时绝缘层位于所有部件之间，这样多个部件不会在实体上相互接触。
当需要将电流记录到磁阻存储器上时，电流产生大量的热量，而热量影响邻近的单元，这样，就增加了转换不希望的磁阻存储单元的磁化方向的概率。并且，当通过将存储器构造成高度集成化而高度压缩磁阻存储器时，存储单元的尺寸变得更小，矫顽磁性也增大了。这样，就增大了需要用来转换磁化方向的磁场的强度，也增加了所需的电流。
在本发明实施例的磁性存储器中，由具有高导磁性的材料制成的FCI形成在存储单元的周围，该存储单元被构造成高度集成化，以改变产生于位线53和数位驱动线51上的磁场的磁路，从而聚集向外发射到所希望的存储单元上的磁场。这样，仅将能用少量电流转换存储单元的磁化方向的足够大的磁场施加到所希望的存储单元上。FCI可采取不同的方式形成为正方形、矩形或圆形。
图3的磁阻存储器是由一种在存储单元53四周呈岛状的导电材料形成的，以便聚集磁通量。不过，图1中所示的磁通量聚集层(FCL)可进一步形成在数位驱动线51上以提高磁通量聚集效应。不过，在采用FCL的情况下，应该注意到增加了一道工序且会提高加工成本。
图4A是一无FCI时导线的横剖图，图4B是其上安置有FCI的导线的横剖图，图4C是其上安置有FCL的导线的横剖图，图4D是其上安置有FCI和FCL的导线的横剖图。在此，导线可以是位线或数位驱动线。
图4A中导线61的宽度为0.6μm，高度为0.3μm，并且不包括比如FCI和/或FCL的磁通量聚集结构。参见图4B，一绝缘层68a被覆盖到导线61的侧面和底面上，并且FCI66a和66b形成在绝缘层68a的左右底面上。绝缘层68a沉积的宽度约为0.1μm，FCI66a和66b形成的宽度约为0.3μm，厚度约为0.04μm。
对于图4C中的导电层61来说，FCL62被覆盖到绝缘层68b的侧面和底面上，而非图4B中的FCI66a和66b。在此，FCL62形成的厚度约为0.04μm。图4D是其上形成有FCL62和FCI66a、66b的导线61的横剖图。绝缘层的厚度约为0.1μm，FCI66a、66b形成的尺寸与图4B中的相同，FCL62形成的尺寸与图4C中的相同。
图5A至5D是将电流施加到从图4A至4D中所示的各个例子中的选定存储单元上的模拟结果的视图。参见图5A至5D，布置有9个存储单元，磁力线从位于中心部分的选定存储单元右边的存储单元向上形成，且从位于选定存储单元左边的存储单元向下形成。
图4A和4B中存储单元磁场强度的渐增可从表示磁场强度的图5A和5B中的滚动条了解到。存储单元的最大强度在图5A中约为2612(G)，在图5B中约为4262(G)，在图5C中约为5868(G)，在图5D中约为7427(G)。在将本发明的FCI与传统的FCL一起使用时的模拟结果中，证明磁场强度是最强的。
表1示出了图4A至4D中所示的各个例子1、2、3、4下的x轴、y轴、所需电流以及选择率。
表1
Hx(0e) Hy(0e)   所需电流(mA) 选择率(％)
    例1     20.7     22.0     8.5     178
    例2     21.9     27.5     7.5     192
    例3     31.0     45.4     4.7     182
    例4     31.1     53.5     4.5     196
在此，所需电流指的是需要用来将存储单元的磁化方向反转的电流，选择率由下面示出的方程式1定义，也即，施加到选定存储单元上的磁场(Hx0，Hy0)与施加到相邻存储单元上的磁场(Hx1，Hy1)之间的相关表达式定义。选择率越高，磁场朝向选定存储单元的聚集度就越高。
方程式1
Figure C20031011884100071
参见表1，例3和4中x轴方向上磁场(Hx)的最强强度约为31(0e)，例3和例4中y轴方向上磁场(Hy)的最强强度分别约为45(0e)和53(0e)。例3和4中的所需电流最小，约为4.5至4.7。
不过，例2和4中的选择率最大，从约192％到196％。例2的选择率提高了，它比例1的178％的选择率多出约8％。优选磁阻存储器的选择率被设计成提高5％或更多。
从上述结果看，包括FCI的磁阻存储器在选择率方面功能发挥得更为有效，且表明：在安置有FCI和FCL的情况下，磁场强度、所需电流以及选择率方面的功能性都达到最佳。可通过实验来找到FCI厚度和宽度的最佳条件。
可将与磁阻存储单元相同的磁性材料用作FCI。这样，就可实现理想的结构，而不用增加在制造工艺中蚀刻存储单元时采用与FCI形状相同的掩模的工序。
本发明的磁阻存储器包括磁通量聚集结构，以提高施加到存储单元上的每单位电流的磁通密度，从而减少转换存储单元磁化方向所需的电流，并提高了选择率，以便制造高密度的磁阻存储器。
如上所述，本发明的磁阻存储器的优点在于，通过增大每单位电流的磁通密度而减少所需电流，提高了选择率，从而可容易地实现高密度且高度集成化的结构。
并且，本发明磁阻存储器制造方法的优点在于，可通过简单地改变蚀刻工艺中所需的掩模来制造FCI。
虽然已参照其示范性实施例对本发明作了特定的图示和描述，但对于本领域的普通技术人员来说，可进行形式和细节上的各种变化，而不脱离由下列权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1、一种磁阻存储器，包括：
存储信息的存储单元；
导线，与存储单元接触，以通过产生磁场来改变存储单元的磁化方向；
至少一个磁通量聚集岛，位于所述导线与存储单元之间，以将磁通量聚集到所述存储单元上，
其中，所述导线包括磁通量聚集层，以在不与存储单元接触的表面上将磁通量聚集到存储单元上。
2、如权利要求1所述的存储器，其中，所述导线为位线或数位驱动线，所述数位驱动线成形为与所述位线相交成一直角，同时所述存储单元介于所述位线与数位驱动线之间。
3、如权利要求1所述的存储器，其中，所述磁通量聚集层是采用具有高导磁性的材料形成的。
4、如权利要求1所述的存储器，其中，所述磁通量聚集岛使选择率提高了5％或更多。
5、一种制造磁阻存储器的方法，包括：
在基底上形成存储单元和导线，该导线使电流对所述存储单元起作用；
在所述存储单元与导线之间形成磁通量聚集岛，该磁通量聚集岛将磁通量聚集到所述存储单元上；
形成磁通量聚集层，以在不与存储单元接触的表面上将磁通量聚集到存储单元上。
6、如权利要求5所述的方法，其中，所述导线为位线或数位驱动线，所述数位驱动线成形为与所述位线相交成一直角，同时所述存储单元介于所述位线与数位驱动线之间。
7、如权利要求5所述的方法，其中，采用具有高导磁性的材料形成所述磁通量聚集岛。
8、如权利要求5所述的方法，其中，所述磁通量聚集岛将选择率提高了5％或更多。
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