CN102918649B - 磁性随机存取存储器设备和生产磁性随机存取存储器设备的方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁性随机存取存储器（MRAM）设备，具有读取字线、写入字线、位线以及经由所述读取字线、写入字线和位线互连的多个存储器位单元，所述存储器位单元中的每一个具有被介电隧道势垒元件隔开的固定铁磁层元件和自由铁磁层元件，其中，所述写入字线中的每一个和对应的多个自由铁磁层元件被形成为一个单独的连续铁磁线。

Description

磁性随机存取存储器设备和生产磁性随机存取存储器设备的方法
技术领域
本发明涉及磁性随机存取存储器（MRAM）设备而且涉及生产MRAM设备的方法。
背景技术
非易失性MRAM适于在存储器位单元的阵列的磁化中存储信息。这种传统的MRAM或者MRAM设备包括经由字线和位线互连的磁隧道结（MTJ）、存储器位单元的两维阵列。传统的MTJ包括由薄的介电隧道势垒层隔开的两个铁磁层。这两个铁磁层之一充当永久性磁体，即所谓的固定铁磁层或者固定层。在另一侧，另一层，即所谓的自由磁化层或者自由层的磁化能够通过例如施加外部磁场来旋转。MTJ的隧道磁致电阻取决于自由层和固定层的磁化的相对对准。对于在读取操作期间寻址单个存储器位单元，可以使用一维的选择方案（见参考[1]）。例如，读取操作是通过测量存储器位单元的电阻来实现的。
用于读取所述存储器位单元的一种备选体系结构包括利用位线和字线来连接矩阵中的每个存储器位单元。这种策略在例如参考[2]中描述。另外，在参考[3]中描述了MRAM设备的辐射效应评估。
此外，参见参考[4]，示出了MRAM设备中的热辅助写入。在参考[5]中，讨论了受约束几何结构的磁畴壁。
另外，文档US2005/0242384A1描述了一种磁性存储器设备，该设备包括在第一写入线和第二写入线之间的交点处提供的磁阻效应元件。另外，该磁阻效应元件还具有在第一写入线的延伸方向上延伸的易轴和用于电连接到该磁阻效应元件的第一导电层，该第一导电层具有与磁阻效应元件的侧面齐平的侧面。
而且，文档US7,245,524B2描述了一种包括在第一方向上延伸的第一写入布线、在与第一方向不同的第二方向上延伸的第二写入布线以及磁阻元件的磁性存储器设备，该磁阻元件布置在第一和第二写入布线之间的交点处，具有固定层、记录层和夹在所述固定层和记录层之间的磁阻层，并且具有相对于第一和第二方向倾斜的易磁化轴，所述记录层包括第一铁磁层、第二铁磁层和夹在所述第一和第二铁磁层之间的第一非磁性层，其中，第一铁磁层的第一磁化和第二铁磁层的第二磁化是铁磁耦合的，并且铁磁耦合的铁磁耦合常数C是0.0001erg/cm2≤C≤0.2erg/cm2。
发明内容
根据本发明的第一方面，提出了一种磁性随机存取存储器（MRAM）设备，该MRAM包括读取字线、写入字线、位线以及经由读取字线、写入字线和位线互连的多个存储器位单元，每个存储器位单元都具有被介电隧道势垒元件隔开的固定铁磁层元件和自由铁磁层元件，其中，每个写入字线和对应的多个自由铁磁层元件被形成为一个单独的连续铁磁线。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于生产MRAM设备的方法，该方法包括以下步骤：
提供读取字线、写入字线和位线；
提供多个存储器位单元，其中，每个存储器位单元被提供成具有被介电隧道势垒元件隔开的固定铁磁层元件和自由铁磁层元件，其中，每个写入字线和对应的多个自由铁磁层元件被形成为一个单独的连续铁磁线；以及
经由所述读取字线、写入字线和位线来互连所述存储器位单元。
在一些实现中，MRAM设备也可被称为混合MRAM（HMRAM）设备，因为该设备是赛道存储器和经典MRAM之间的混合物。
因而，根据一些实现，所给出的HMRAM适于同时实现单个单元选择性和高打包密度，而不使用位单元开关。
另外，根据一些实现，与大于40F2的传统MRAM单元（参见参考[1]和[2]）相比，所给出的HMRAM单元可以实现4F2的填充因子。
此外，根据一些实现，对应传统单元选择开关的消除可以简化HMRAM设备的构造并且可以提高隧道势垒跨波动的一致性，由此减少电阻值从一个存储器位单元到另一个位单元的变化。
而且，在一些实现中，可以避免自由层中的亚稳磁化状态，由此显著简化对应HMRAM位单元的存储器单元几何结构和磁性层结构。另外，无需复杂的体系结构就可以解决所谓的半选问题。例如，半选问题是在参考[6]中描述的。
根据一些实现，两维的写入选择方案还可被用于读取对应存储器位单元的状态。其中，为了实现这种功能性，在所给出的HMRAM中，写入字线和自由层被合并成所述一个连续铁磁线。就此而言，MTJ中的自由层元件可由位线和铁磁写入字线的交点来定义。
另外，在一些实现中，单元选择开关可用读取字线来替代，该读取字线可被布置成与写入字线平行。
因而，根据一些实施方式，利用这种存储器位单元配置，两维的选择方案可既被用于读取操作又被用于写入操作。
根据一些实施方式，由于被CMOS技术覆盖的芯片面积的减小，例如尤其是因为CMOS部件中的单闭锁事件是辐射环境中设备误操作的主要原因，存在MRAM设备的辐射容限的改进，如在参考[3]中描述的。
所给出的HMRAM位单元与传统MRAM位单元在自由层元件的设计上可以有所区别，其中自由层元件被合并在写入字线中以形成一个单独的连续铁磁材料条。由于形状的各向异性，写入字线中的磁化可以与写入字线的轴平行并且与单元的底部铁磁部分的固定磁化平行或者反平行。例如，如果写入字线在平行的朝向上开始，那么结果隧道磁致电阻低。为了切换到高电阻状态，位线下面的磁化可能必须被旋转180度以与在该位线中行进的电流脉冲所产生的磁场对准。为了实现单个单元的选择性，由电流脉冲造成的场可能不足以旋转位线下面的磁化。在写入字线中行进的第二电流脉冲可以通过电功耗散来加热铁磁材料。因而，用于实现磁化的阈场可被降低。只有位于写入字线和位线交点处的存储器位单元会经受高温和磁场的组合效应，使得磁化能够对准到磁场中。与其中切换磁场通过由正交字线和位线生成的两个磁场的向量和来达到的传统写入策略相比，给出的策略可以避免以上讨论的半选问题，其中，由于切换磁场中不可避免的传播，相同线上的单元很容易切换。
当磁化被旋转时，两个畴壁成核并钉扎在位线的边缘。所述畴壁可被钉扎在写入字线中的被压缩部分中。所给出的HRMAM设备的几何结构可以使得足够的钉扎势被施加在畴壁上，但同样地，该畴壁也可以在相反磁场中再次去钉扎。
在一些实现中，两个位线之间的最小距离可由畴壁宽度的至少两倍给出。尽管在例如坡莫合金的软磁性材料中，平衡畴壁宽度可以有几个100nm那么大，参见参考[5]，但是，受约束的壁可能具有被压缩部分的几何宽度的典型尺寸。另外，除在位线中行进的电流脉冲可以具有相反极性之外，从高电阻状态回到低电阻状态的转变可以类似方式来实现。
在一种实施方式中，MRAM还可以具有介电层元件，每个介电层元件被布置在对应的一个位线和连续铁磁线之间，用于形成电容性元件。
在另一种实施方式中，所述电容性元件可被配置成在写入操作中形成绝缘体。
因而，因为电容性元件可在写入操作中形成绝缘体，所以有利地，在写入操作中没有电流可在位线和写入字线之间流动。
在另一种实施方式中，所述电容性元件可被配置成在读取操作中形成导体。
因为电容性元件可在读取操作中形成导体，所以电流可从位线经过写入字线和选择的存储器位单元流到读取字线。因而，选择的存储器单元可被读出。
在另一种实施方式中，所述电容性元件可被配置成在写入操作中形成绝缘体并且在读取操作中形成导体。
因而，所述描述的电容性元件可以根据操作，即，读取操作或写入操作而具有双重功能。
在另一种实施方式中，存储器位单元可被布置在对应的一个写入字线下面，所述对应的一个写入字线和该存储器位单元的自由铁磁层元件被形成为一个单独的连续铁磁线。
在另一种实施方式中，存储器位单元被布置为具有行和列的矩阵，其中，布置在一行中的存储器位单元可被连接到一个写入字线，其中，所述一个写入字线和所述一行存储器位单元的自由铁磁层元件被形成为一个单独的连续铁磁线。
在另一种实施方式中，每个存储器位单元的对应自由铁磁层元件被形成为连续铁磁线的一部分，该部分被布置在连续铁磁线和对应位线的相交区域中。
在另一种实施方式中，连续铁磁线和位线被布置成彼此正交。
在另一种实施方式中，每个对应的读取字线可被布置成与对应的一个连续铁磁线平行，并且被配置成使得两维的选择方案可应用于读取操作和写入操作。
有利地，因为读取字线和作为连续铁磁线的一部分的写入字线之间的这种布置，两维的选择方案可以既可应用于读取操作又可应用于写入操作。
在另一种实施方式中，存储器位单元可被布置在具有行和列的两维布置中。
在另一种实施方式中，存储器位单元可被布置在具有多个存储器位单元的两维矩阵的三维布置中，所述两维矩阵彼此堆叠。
通过使用所给出的HMRAM单元，有利地，MRAM单元的三维布置是可能的。
在另一种实施方式中，固定铁磁层元件和自由铁磁层元件每个都可由铁磁材料形成，例如，NiFe、CoFe、CoFeB或者MnFe。另外，所述材料可以按不同的成分比来使用。MnFe可在多层结构中被用作反铁磁体。
在另一种实施方式中，固定铁磁层元件可被配置成起永久磁体的作用。
在另一种实施方式中，自由铁磁层元件可被配置成在预定激励下可被修改，诸如施加外部磁场和温度。
在另一种实施方式中，介电隧道势垒元件可以包括MgO或者Al2O3。
在另一种实施方式中，介电层元件可以包括低K介电材料，例如纳米多孔二氧化硅、氢硅倍半氧烷（HSQ）、特氟纶-AF（聚四氟乙烯或者PTEE）、硅氧氟（FSG），或者高K介电材料，例如高KSiNx、Ta2O5、Al2O3、ZrO2和HfO2、PZT。
在另一种实施方式中，畴壁钉扎部位被提供在连续铁磁线和对应位线的相交区域的对应附近。
在另一种实施方式中，每个对应畴壁钉扎部位的形状体现为弯曲的形状或者多边形形状。具体地，对应畴壁钉扎部位的形状可以是三角形、矩形、五边形或者抛物线形。
在另一种实施方式中，每个对应畴壁钉扎部位的尺寸是根据连续铁磁线的几何结构和/或材料来配置的。畴壁宽度可以取决于材料的属性并且取决于连续铁磁线的宽度和厚度。具体地，当它位于连续铁磁线的不存在被压缩部分的线段中时，钉扎部位的尺寸可以与畴壁的宽度成比例。
以下，参考附图来描述本发明的示例性实施方式。
附图说明
图1示出了混合MRAM设备的实施方式的示意性框图的前视图；
图2示出了图1的混合MRAM设备的实施方式的示意性框图的侧视图；
图3示出了图1的混合MRAM设备的实施方式的示意性框图的顶视图；
图4示出了包括写入字线和多个自由铁磁层元件的功能性的连续铁磁线的示意性框图；
图5示出了配置用于写入操作的图1至3的HMRAM单元的等效电路；
图6示出了配置用于读取操作的图1至3的HMRAM单元的等效电路；以及
图7示出了用于生产HMRAM设备的方法步骤序列的实施方式。
如果没有另外指出，那么为图中相似或功能相似的元件分配相同的标号。
具体实施方式
图1至3示出了混合MRAM（HMRAM）设备10的一种实施方式的示意性框图的不同视图。特别地，图1绘出了HMRAM设备10的前视图，图2是侧视图，而图3是顶视图。
在不损失一般性的情况下，图1至3的HMRAM设备10仅仅摘录示出了三条位线21-23、三条写入字线31-33、三条读取字线41-43和三个存储器位单元51-53。
每个存储器位单元51-53都包括固定铁磁层元件61-63和自由铁磁层元件71-73。固定铁磁层元件61-63和自由铁磁层元件71-73分别被介电隧道势垒元件81-83隔开。例如，左边的存储器位单元51具有固定铁磁层元件61、自由铁磁层元件71和介电隧道势垒元件81。
各个固定铁磁层元件61-63和各个自由铁磁层元件71-73都是由铁磁材料形成的。这种铁磁材料的例子是NiFe、CoFe和CoFeB。固定铁磁层元件61-63和自由铁磁层元件71-73的铁磁材料可以相同或者不同。
每个固定铁磁层元件61-63都被配置成在预定激励下可修改。这种激励的例子可以是施加外部磁场和温度。
特别地，关于图3，存储器位单元51-53可被布置为具有行和列的矩阵。布置在一行中的存储器位单元，例如存储器位单元51-53，连接到一个单独的写入字线，即，写入字线31。所述写入字线31和所述一行这些存储器位单元51-53的自由铁磁层元件71-73被形成为一个单独的连续铁磁线91。这同样可应用于更多的连续铁磁线92和93。
另外，关于图3，通过标号130示例性地参考的畴壁钉扎部位被提供在连续铁磁线91-93和对应位线21-23的相交区域的对应附近。特别地，各个畴壁钉扎部位130中的每一个的尺寸是根据对应连续铁磁线91-93的几何结构和/或材料来配置的。
此外，所述存储器位单元51-53可以布置在具有多个所讨论的存储器位单元51-53的两维矩阵的三维布置中，其中所述两维矩阵可被彼此堆叠。
另外，在每个对应位线21-23和每个对应连续铁磁线91-93之间，可以存在用于在对应位线21-23和对应连续铁磁线91-93之间形成电容性元件的介电层元件101-103。由所述介电层101-103形成的所述电容性元件可被调适成在写入操作中形成绝缘体并被调适成在读取操作中形成导体。
例如，参考图1，写入字线31和布置在所述写入字线31下面的存储器位单元51-53的自由铁磁层元件71-73被形成为所述一个单独的连续铁磁线91。
另外，参考图1和2，对应读取字线41-43中的每一个被布置成与对应连续铁磁线91-93中的每一个平行，并被配置成使得两维选择方案可应用于HMRAM设备10的读取操作和写入操作。例如，读取字线41被布置成与连续铁磁线91平行，并因此与作为所述连续铁磁线91的一部分的写入字线31平行。
另外，参考图1和2，二极管层111-113被布置在固定铁磁层元件61-63和每个对应的读取字线41-43之间。所述二极管层111-113可被调适成提供对于对应存储器位单元51-53的选择机制。这种二极管或二极管层的使用从US7,245,524B2已知。
图4示出了连续铁磁线91的具体示意性框图，其中连续铁磁线91包括写入字线31的功能性和多个自由铁磁元件71-73的功能性。特别地，图4说明了连续铁磁线91具有多个包括不同功能性的不同段a-e。
段a、c和e布置在对应的位线21-23下面（参见图3）。相反，段b和d没有布置在任何位线的下面。在段a、c和e中，对应存储器位单元51-53的对应自由铁磁层元件71-73可被形成为所述连续铁磁线91的一部分（也参见图3）。
图5和6示出了分别配置用于写入操作和配置用于读取操作的图1-3的HMRAM单元10的等效电路200。
HMRAM单元10的等效电路200分别说明了写入操作和读取操作期间的电流路径。电流路径300是粗体打印的。
图5和6的等效电路200具有位线210、写入字线220和读取字线230。
在等效电路200中，图1-3中具有固定层元件61-63、自由层元件71-73和介电隧道势垒元件81-83的对应存储器单元51-53由串联连接的电容器241-243和可变电阻器251-253来表示。例如，存储器单元51由电容器241和可变电阻器251来表示。各个电容器241-243中的每一个可具有电容值C1。各个可变电阻器251-253中的每一个可具有电阻值R1。各个可变电阻器251-253中的每一个只能在两个状态R1high和R1low之间切换，这两个状态分别用于铁磁层61-63和71-73的反平行和平行磁化配置。
图1-3中位线21-23和写入字线31-33（连续铁磁线91-93）之间的对应介电层101-103中的每一个由具有对应电容值C2的电容器261-263来表示。
为了把电流注入位线210以生成磁场，使用第一脉冲发生器271。另外，第二脉冲发生器272被用于把电流注入写入字线220以升高自由铁磁层中的温度。而且，在写入操作期间使用的第二脉冲发生器272可以参考单独的电势，特别是相对于脉冲发生器271的单独地平面。而且，脉冲发生器273可在读取操作期间被切换到电路200中，并通过位线210、存储器位单元和读取字线注入电流脉冲，以读取对应存储器位单元的状态。
写入字线220在两个位单元之间的片段的电阻可具有电阻值R2并由311、312指定。另外，位线210在被选单元前后的电阻片段321、322可具有对应的电阻值R3。
特别地，所述图5示出了写入操作的电流路径300。另外，参考图5，电路200是以以下方式建立的。第一脉冲发生器271通过开关281和282被切换到电路200中。而且，第二脉冲发生器272通过开关283和284被连接到电路200。
由于二极管291-293的整流，没有电流环可以在存储器位单元之间维持。另外，由于它们通过开关282和284参考单独的地，因此尽管它们被电容器261-263电容性耦合，但是没有电流可在位线210和写入字线220之间流动。因为第一和第二脉冲发生器271、272、273可以是电流源并且沿线210和220的损耗可被最小化，写入字线220中的场的幅度和耗散的热对于每个存储器位单元可以是相同的。可选地，第一和第二脉冲发生器271、272、273可以体现为电压源。
参考图6，示出了相应的读取操作，其中，标号300示出了所述读取操作期间的电流路径。
另外，参考图6，电路200是以以下方式建立的：第一脉冲发生器273通过开关281（282是断开的）被切换到电路200中，并且读取字线230通过开关285接地。
由第一脉冲发生器273在位线210中生成的电流脉冲只传播通过位于与读取字线230的交点处的存储器位单元。脉冲的幅值和持续时间可能不足以成核或去钉扎并传播畴壁。
为了保证读取操作的选择性，R2和R1high-R1low之间的比率可大于1。这可以确保相邻存储器位单元中的二极管291-293不会变得导通。由同一个位线210连接的存储器单元的数量可由具有电阻值R3的电阻片段322以及R1和差值R1high-R1low之间的差值来限制。
另外，图7示出了用于生产HMRAM设备10的方法步骤序列的一种实施方式。图7的方法是参考图1-3来描述的。
在步骤701中，提供位线21-23、写入字线31-33和读取字线41-43。
在步骤702中，提供多个存储器位单元51-53，其中，存储器位单元51-53中的每一个被提供成具有被介电隧道势垒元件81-83隔开的固定铁磁层元件61-63和自由铁磁层元件71-73。写入字线31-33中的每一个和对应的多个自由铁磁层元件71-73被形成为一个单独的连续铁磁线91-93。
另外，在步骤703中，存储器位单元51-53由所述位线21-23、所述写入字线31-33和所述读取字线41-43互连。
所有以上提到的本发明方法的实施方式都可以由作为本发明设备的对应实施方式的对应装置来体现。
在这里所描述的仅仅是说明本发明原理的应用。在不背离本发明范围与主旨的情况下，其它布置和系统也可以由本领域技术人员实现。
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Claims (18)

1.一种磁性随机存取存储器(MRAM)设备(10)，包括：
位线(21-23)、写入字线(31-33)、读取字线(41-43)以及经由所述位线(21-23)、写入字线(31-33)和读取字线(41-43)互连的多个存储器位单元(51-53)，所述存储器位单元(51-53)中的每一个具有被介电隧道势垒元件(81-83)隔开的固定铁磁层元件(61-63)和自由铁磁层元件(71-73)，
其中，所述写入字线(31-33)中的每一个和对应的多个自由铁磁层元件(71-73)被形成为一个单独的连续铁磁线(91-93)。
2.如权利要求1所述的磁性随机存取存储器设备，
进一步包括介电层元件(101-103)，该介电层元件中的每一个被布置在对应的一个位线(21-23)和所述连续铁磁线(91-93)之间以便形成电容性元件。
3.如权利要求2所述的磁性随机存取存储器设备，
其中，所述电容性元件被配置成在写入操作中形成绝缘体。
4.如权利要求2所述的磁性随机存取存储器设备，
其中，所述电容性元件被配置成在读取操作中形成导体。
5.如权利要求2所述的磁性随机存取存储器设备，
其中，所述电容性元件被配置成在写入操作中形成绝缘体并在读取操作中形成导体。
6.如权利要求1至5中任一项所述的磁性随机存取存储器设备，
其中，所述存储器位单元(51-53)被布置在对应的一个写入字线(31)下面，所述对应的一个写入字线(31)和所述存储器位单元(51-53)的自由铁磁层元件(71-73)被形成为一个单独的连续铁磁线(91)。
7.如权利要求1至5中任一项所述的磁性随机存取存储器设备，
其中，所述存储器位单元(51-53)被布置为具有行和列的矩阵，其中，布置在一行中的存储器位单元(51-53)被连接到一个写入字线(31)，其中，所述一个写入字线(31)和所述一行存储器位单元(51-53)的自由铁磁层元件(71-73)被形成为一个单独的连续铁磁线(91)。
8.如权利要求1至5中任一项所述的磁性随机存取存储器设备，
其中，对应存储器位单元(51-53)的对应自由铁磁层元件(71-73)被形成为所述连续铁磁线(91)的一部分，该部分被布置在所述连续铁磁线(91)和对应位线(21-23)的相交区域中。
9.如权利要求1至5中任一项所述的磁性随机存取存储器设备，
其中，所述读取字线(41-43)中的每一个被布置成与对应的一个连续铁磁线(91-93)平行，并被配置成使得两维选择方案可应用于读取操作和写入操作。
10.如权利要求1至5中任一项所述的磁性随机存取存储器设备，
其中，所述存储器位单元(51-53)被布置在三维布置中，该三维布置具有多个存储器位单元(51-53)的两维矩阵，所述两维矩阵彼此堆叠。
11.如权利要求1至5中任一项所述的磁性随机存取存储器设备，
其中，所述固定铁磁层元件(61-63)和自由铁磁层元件(71-73)的每一个由铁磁材料形成。
12.如权利要求11所述的磁性随机存取存储器设备，其中，所述铁磁材料包括NiFe、CoFe或CoFeB。
13.如权利要求1至5中任一项所述的磁性随机存取存储器设备，
其中，所述自由铁磁层元件(71-73)被配置成在预定激励下可修改。
14.如权利要求13所述的磁性随机存取存储器设备，其中，所述预定激励包括施加外部磁场和温度。
15.如权利要求1至5中任一项所述的磁性随机存取存储器设备，
其中，在所述连续铁磁线(91)和对应位线(21-23)的相交区域的对应附近提供畴壁钉扎部位(130)。
16.如权利要求15所述的磁性随机存取存储器设备，
其中，所述畴壁钉扎部位(130)中的每一个的形状体现为弯曲形状或多边形形状。
17.如权利要求16所述的磁性随机存取存储器设备，
其中，所述畴壁钉扎部位(130)中的每一个的尺寸是根据所述连续铁磁线(91)的几何结构和/或材料来配置的。
18.一种用于生产磁性随机存取存储器(MRAM)设备的方法，该方法包括：
提供读取字线、写入字线和位线，
提供多个存储器位单元，其中，所述存储器位单元中的每一个被提供成具有被介电隧道势垒元件隔开的固定铁磁层元件和自由铁磁层元件，其中，所述写入字线中的每一个和对应的多个自由铁磁层元件被形成为一个单独的连续铁磁线，以及
经由所述读取字线、写入字线和位线互连所述存储器位单元。
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