CN1184643C - 具有低写入电流的磁性随机存取内存 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有低写入电流的磁性随机存取内存，是以磁性接面组件为存储核心的磁性隧道结，在磁性接面组件单元的两侧放置能流通电流的金属柱，所组成的磁性随机存取内存的改良型结构。利用磁性接面组件附近或缠绕的金属柱感应所增加的总磁场，使磁性接面组件单元处的磁场强度有明显增强，以达到本发明具有低写入电流的磁性随机存取内在的目的与功效，进而使磁性随机存取内存功率消耗降低。

Description

具有低写入电流的磁性随机存取内存
技术领域
本发明具有低写入电流的磁性随机存取内存，是以磁性接面组件为存储核心的结，提出在磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)的两侧放置能流通电流的金属柱，而组成的磁性随机存取内存(Magnetic Random AccessMemory，MRAM)的改良型结构。
背景技术
磁性随机存取内存(MRAM)具有非挥发性、高密集度、高读写速度、抗辐射线等等优点，在读取存储数据时需提供电流源流入选择到的结，读取其电压值的不同以决定资料的数字值，写入资料时，如图1现有技术的磁性随机存取内存数组示意图所示(US patent：5640343)所使用的方法为两条电流线，即字节线13与写入线11(Bit Line & Write Line)感应磁场交集选择到的磁性隧道结15，从而改变磁性材料的磁化方向，以更改其数据状态。
目前现有技术MRAM开发的重点之一即在如何让写入线所感应的磁力线能有效聚集在结之上。如图2现有技术的磁性随机存取内存电路剖面示意图(USpatent：5940319)所示，其中利用沉积法形成的介电层21覆盖住磁性隧道结15，之后再利用蚀刻法，向上产生栓塞信道第一导线25a连接至字节线13，向下产生第二导线25b连接至电流控制组件23，之后在字节线13与写入线11外侧包覆一层高透磁率(permeability)材料200，以避免漏磁的产生，其主要目的是希望磁性隧道结15上的磁场增强，相对就可以输入较低的写入电流，以达到到省电的目的。除上述的方法以外，利用缩小写入线11与磁性隧道结15的距离也有一定的功效。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有低写入电流的磁性随机存取内存，增强磁场强度以降低写入电流，以达到省电的目的，并利用适当的光罩修改，使得无限长的电流导线能够在磁性隧道结附近感应更多的同方向磁场，降低主结构的制造成本。
本发明的目的是这样实现的：
本发明公开了一种具有低写入电流的磁性随机存取内存，是设计能够组合成磁性随机存取内存数组(MRAM Array)的磁性接面组件(MTJ)，提出在磁性接面组件两侧放置能流通电流的金属柱，其金属柱产生累加的磁场强度能降低写入磁性接面组件的电流，以降低磁性随机存取存储体操作时的耗损功率。其中所放置的金属柱是利用光罩布局的修改，使之在制造时伴随信道(Via)蚀刻步骤开孔并填入金属而形成栓塞(Plug)，再利用金属柱的连接，以达到流通电流的目的。另外，利用此概念，将至少一圈的导电金属缠绕在磁性接面隧道结邻近，利用这附近或缠绕的金属柱感应所增加的总磁场，使磁性接面隧道结处的磁场强度有明显增强，以达到本发明具有低写入电流的磁性随机存取内存的目的与功效，进而使磁性随机存取内存功率消耗降低。
具体地讲，本发明公开了一种具有低写入电流的磁性随机存取内存，是由多个磁性存储单元组合而成，所述磁性存储单元包括：
一写入线，提供所述磁性存储单元写入电流信道，包括一上层写入线与一下层写入线；
一字节线(bit line)，提供所述磁性存储单元读出及写入电流信道，与所述写入线垂直；
一磁性隧道结，位于所述上层写入线与下层写入线之间，是所述磁性随机存取内存中的磁性材料，可通过改变磁化方向以更改所述磁性隧道结数据状态；
一中间金属柱，连接所述磁性隧道结与所述字节线；
多个侧边金属柱，连接所述上层写入线与所述下层写入线，可利用通过电流增加所述磁性隧道结所感应的磁场。
所述磁性存储单元利用与其相连的一电流控制组件读出信号。
其中，一写入电流由所述上层写入线输入，通过一所述侧边金属柱，进入所述下层写入线，再通过另一所述侧边金属柱到达所述上层写入线，环绕所述磁性隧道结。所述磁性存储单元的上层写入线与另一所述磁性存储单元的上层写入线相连接，并且所述字节线与另一侧方向的一所述磁性存储单元的字节线相连，由多个磁性存储单元组合形成所述磁性随机存取内存。
所述磁性隧道结为一种子层与一该种子层之上的磁性接面组件所组成，所述磁性接面组件为其存储核心。
本发明还公开了一种具有低写入电流的磁性随机存取内存，是由一磁性存储单元组成，所述磁性存储单元包括：一字节线，提供所述磁性存储单元读出及写入电流信道；一磁性隧道结，与所述字节线相连，是所述磁性随机存取内存中的磁性材料，通过改变磁化方向以更改所述磁性隧道结数据状态；一侧边金属柱，位于所述磁性隧道结的一侧，提供所述磁性存储单元电流信道，一写入电流由所述侧边金属柱输入，利用通过电流增加所述磁性隧道结所感应的磁场。
所述磁性隧道结包括有一种子层与一该种子层之上的磁性接面组件，所述磁性接面组件为其存储核心。
有关本发明的详细内容及技术，配合附图说明如下。
附图说明
图1为现有技术的磁性随机存取内存数组示意图；
图2为现有技术的磁性存储单元电路剖面示意图；
图3为现有技术的磁性存储单元剖面示意图；
图4为本发明实施例的磁性存储单元示意图；
图5为本发明实施例的磁性存储单元剖面示意图；
图6为本发明实施例的磁性存储单元组合示意图；
图7为本发明实施例的金属柱与磁性隧道结示意图；
图8为本发明实施例的磁性存储单元导线多重环绕示意图；
标号说明
11--写入线；13--字节线(bitline)；15--磁性隧道结；
21--介电层；23--电流控制组件；
25a-第一导线；25b--第二导线；
200--高透磁率材料；
41--绝缘层；42a--中间金属柱；42b--侧边金属柱；
43a--下层写入线；43b--上层写入线；
45--种子层；47--磁性接面组件；400--磁性存储单元；
81a--第一上层写入线；81b--第二上层写入线；
81c--第三上层写入线；83a--第一下层写入线；
83b--第二下层写入线；85a--第一侧边金属柱；
85b--第二侧边金属柱；85c--第三侧边金属柱；
85d--第四侧边金属柱。
具体实施方式
请参阅图4本发明实施例的磁性存储单元示意图。其中几何架构制作步骤如下：首先在硅基板上制作控制读出电流控制组件23，在本发明以此控制电路组件上方存储元件为主要发明，故并不在此对电流控制组件23详加说明，接下来是制作下层写入线43a，其上再沉积7层绝缘层41(Insulating Layer)，再来进行种子层45(Seed Layer)接触窗对准、蚀刻，再沉积种子层45，此种子层为一导电的金属层，其材料可为钽(Ta)、镍铁合金(NiFe)、镍铁铬合金(NiFeCr)、铂锰合金(PtMn)、铱锰合金(MnIr)等，使得种子层45与下方的控制电路组件的一端电性相接，以提供读出电流的信道；再是进行磁性接面组件47(MTJ Cell)的沉积与蚀刻；之后进行低温绝缘层沉积与化学机械表面平整化(CMP)的过程；接下来进行转接电路信道层与金属层对准与蚀刻，在此利用双镶嵌(Dual Damascene)制作过程，并填入金属栓塞，以形成摆放在磁性接面组件47附近的金属柱(Metal Pillar)，如图4的实施例中有中间金属柱42a与侧边金属柱42b，其上再制作字节线13与上层写入线43b。在此结构所述的中间金属柱42a与侧边金属柱42b，其金属柱形成，乃伴随原有字节线13与磁性接面组件47接触的制作过程同时产生，并不增加额外制造成本。
请参阅图5本发明实施例磁性存储单元剖面示意图。此示意图可对照图3现有技术的磁性存储单元剖面示意图，一写入电流写入线11由左至右通过；又如图5本发明实施例所示，则一写入电流由上层写入线43b经过，由上至下通过侧边金属柱42b，再由左至右经过下层写入线43a，再由下至上通过侧边金属柱42b到达上层写入线43b，如此环绕一磁性隧道结15，依照必欧沙法定律(Biot-Savar Law)，并以右手定则判断感应磁场方向，环绕中间的磁性隧道结15的三个方向的电流可造成此三个同方向感应磁场，也因为借此感应磁场改变了磁性隧道结15的磁性状态，进而改变其中资料型态，达到其存储功能，并借此加大磁场效应达到低写入电流的目的，也是本发明具有低写入电流的磁性随机存取内存的重要目的。
依照必欧沙法定律，如图5磁性存储单元剖面图所示，本发明可进一步通过缩短侧边金属柱42b与磁性隧道结15的间距，而拉到增强磁场的目的，如此也使磁性随机存取内存(MRAM)整体缩小。
请参阅图6本发明实施例的磁性存储单元组合示意图。将上述图4所示的磁性存储单元400加以组合，利用上层写入线43b与另一磁性存储单元400的上层写入线43b相连接，另一侧方向为字节线13与另一磁性存储单元400的字节线13交互连接，如此即可为一扩充性的磁性内存(MRAM)。本图显示为四个磁性存储单元400所组成，实际应用上不以此为限。
本发明另一实施例请参照图7金属柱与磁性隧道结示意图，在一由种子层45与磁性接面组件47所组成的磁性隧道结15侧边，设置一侧边金属柱42b，而当此侧边金属柱42b通过一写入电流，如图中所示的向下垂直虚线，依照必欧沙法定律，在此磁性隧道结15上产生一感应磁场，其磁力线为图中所示环绕此侧边金属柱42b的虚线，因为此感应磁场造成此磁性隧道结15的磁性状态改变，因而改变其数据状态，此为本发明磁性存储单元实施例。
本发明又一实施例请参照图8磁性存储单元导线多重环绕示意图。将上述图4所示的磁性存储单元400加以扩张，通过其流通电流的金属导线与多加光罩形成的金属柱以不失结构的方式环绕磁性隧道结15形成另一磁性存储单元。其中的一电流流向详述如下，实际操作并不以此为限：请依附图中的虚线方向所示，一电流由第一上层写入线81a一端到另一端接着第一侧边金属柱85a，其另一端再沿第一下层写入线83a至第二侧边金属柱85b，再走第二上层写入线81b向下经第三侧边金属柱85c到第二下层写入线83b，在接着第四侧边金属柱85d的一端，沿第四侧边金属柱85d到第三上层写入线81c。如此由多个写入线与金属柱环绕于磁性隧道结15，能有效增加此磁性隧道结15所受的感应磁场，并借此降低所需的写入电流。以达到本发明具有低写入电流的磁性随机存取内存目的与功效。
以上为本发明具有低写入电流的磁性随机存取内存实施例的详细说明，利用本发明侧边金属柱的设置，可提供磁性存储单元较大的感应磁场，借此降低所需的写入电流。而本发明的结构，利用必欧沙法定律及安培定律(Ampere′sLaw)结果显示，利用写入线的几何结构修改，所感应的磁场强度是现有技术的2.41倍，也就是所需送入写入线的电流有40％的降低；而利用本发明的另一衍生结构，在不增加组件的集成度之下，增加信道及金属两道光罩与制作过程，环绕两圈的结构能够使磁性隧道结15所感应的磁场为原先的4.83倍，也就是有20％的写入电流降低，达到本发明具有低写入电流的磁性随机存取内存更进一步的目的与功效。另外，除了写入线电流造成磁场变化之外，能够改变的参数还有磁性隧道结15间绝缘层的厚度，在本发明的结构上再增加一参数，即为侧边金属柱42b与磁性隧道结15的间距，通过缩小其间距更能达到增强磁场的目的，在未来磁性随机存取内存缩小发展上显现其优越特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明所实施的范围。凡依本发明技术方案所作的等效变化与修饰，应仍属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有低写入电流的磁性随机存取内存，是由多个磁性存储单元组合而成，其特征在于，所述磁性存储单元包括：
一写入线，提供所述磁性存储单元写入电流信道，包括一上层写入线与一下层写入线；
一字节线，提供所述磁性存储单元读出及写入电流信道，与所述写入线垂直；
一磁性隧道结，位于所述上层写入线与下层写入线之间，是所述磁性随机存取内存中的磁性材料，可通过改变磁化方向以更改所述磁性隧道结数据状态；
一中间金属柱，连接所述磁性隧道结与所述字节线；
多个侧边金属柱，连接所述上层写入线与所述下层写入线，可利用通过电流增加所述磁性隧道结所感应的磁场；
所述磁性存储单元利用与其相连的一电流控制组件读出信号；
其中，一写入电流由所述上层写入线输入，通过一所述侧边金属柱，进入所述下层写入线，再通过另一所述侧边金属柱到达所述上层写入线，环绕所述磁性隧道结；
所述磁性存储单元的上层写入线与另一所述磁性存储单元的上层写入线相连接，并且所述字节线与另一侧方向的一所述磁性存储单元的字节线相连，由多个磁性存储单元组合形成所述磁性随机存取内存。
2.如权利要求1所述的具有低写入电流的磁性随机存取内存，其特征在于，所述磁性隧道结为一种子层与一该种子层之上的磁性接面组件所组成，所述磁性接面组件为其存储核心。
3.一种具有低写入电流的磁性随机存取内存，是由一磁性存储单元组成，其特征在于，所述磁性存储单元包括：
一字节线，提供所述磁性存储单元读出及写入电流信道；
一磁性隧道结，与所述字节线相连，是所述磁性随机存取内存中的磁性材料，通过改变磁化方向以更改所述磁性隧道结数据状态；
一侧边金属柱，位于所述磁性隧道结的一侧，提供所述磁性存储单元电流信道，一写入电流由所述侧边金属柱输入，利用通过电流增加所述磁性隧道结所感应的磁场。
4.如权利要求3所述的具有低写入电流的磁性随机存取内存，其特征在于，所述磁性隧道结包括有一种子层与一该种子层之上的磁性接面组件，所述磁性接面组件为其存储核心。
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