CN1276435C - 磁随机存取存储器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁随机存取存储器及其制造方法。该利用磁畴阻滞的磁随机存取存储器包括：数据存储单元，该单元包括固定层、非磁性层和自由层；数据输入单元，该单元与该自由层的两端电连接，用于将电流施加到该自由层上，以将数据输入至数据存储单元内；以及数据输出单元，该单元与自由层和固定层电连接，以将存储在数据存储单元中的数据输出。因此，该磁随机存取存储器具有比使用反转磁场来记录数据的存储器更优秀的性能。

Description

磁随机存取存储器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种磁随机存取存储器(MRAM)，更具体地，涉及一种利用磁畴阻滞和巨磁阻(GMR)或隧道磁阻(TMR)的MRAM。

背景技术

MRAM是非易失性存储器件和新型的固体磁存储器，它利用了基于纳米磁物质所独具的自旋相关传导(spin dependent conduction)的磁阻效应。MRAM利用GMR或TMR，GMR或TMR因自旋(电子自由度)对电子输运施加极大的影响而发生。

GMR是两种铁磁物质之间形成的自旋排列相同的情形和两种铁磁物质之间形成的自旋排列相反的情形之间，在铁磁物质/非铁磁金属物质/铁磁物质多层结构中存在电阻差的现象。TMR是与两种铁磁物质之间形成的自旋排列相反的情形相比，两种铁磁物质之间形成的自旋排列相同的情形中铁磁物质/绝缘物质/铁磁物质多层结构中电流更容易穿过的现象。在利用GMR的MRAM情形中，因为相应于磁化方向的电阻值之间的差异小，所以电压值之间的差不会增大。此外，利用GMR的MRAM在增加MOSFET的尺寸上存在缺点，该MOSFET与GMR膜结合以形成一单元。因此，已经进行了更多的研究以使利用TMR膜的MRAM实用化。

在传统MRAM中记录数据时，X和Y方向上的矢量之和被用于选择一阵列中的具体单元，该阵列具有单位MRAM单元的矩阵结构。也即，根据现有的星形曲线方法，数据的记录考虑了磁薄膜相对于外部磁场之和的磁化方向。在传统MRAM中，电流施加在数据存储单元(GMR或TMR)上方彼此交叉的电极线上，以因横跨该电极线形成的反转磁场而将磁化方向诱导至数据存储单元的自由层内，且该磁化方向用作一信息单元。

为了实现可实用的存储器件，需要将工作能耗降至最小，这限制了用于数据存储单元的材料的选择。在传统MRAM中，为了产生反转磁场，即耗能，坡莫合金(NiFe)被最广泛地用于磁阻器件的自由层。重要的是增加磁阻，以提高MRAM的运行速度，并高效地制造芯片结构。为此，用于自由层的磁薄膜必须具有铁磁特性和高的极化特性。为了获得这些特性，可以使用NiCoFe合金、半金属合金、磁性非晶合金等等，但是这些磁物质具有大的反转磁场，于是它们不能容易地应用到传统MRAM中。也即，因为反转磁场大，所以电极线的宽度和厚度需要大于现有方法，因此难以将以上磁物质用于需要高集成密度的存储器件。

同时，当利用X和Y方向上的矢量和将信息记录到存储器件的阵列中，或从存储器件的阵列中复制出来时，需要两个独立的写源极，这使芯片的结构变得复杂。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种微型磁随机存取存储器(MRAM)器件和阵列，该器件和阵列不需要反转磁场，将功耗降至最低，具有简单的结构，能增加运行速度，且具有相应于磁畴尺寸的大小，从而实现了微型存储器器件。

为了实现本发明的以上目的，提供一种磁随机存取存储器，包括：一数据存储单元，该单元为磁阻器件，包括一固定层、一自由层、以及该固定层与该自由层之间的非磁性层；一数据输入单元，该单元与该自由层的两端电连接以将数据输入至数据存储单元内；以及一数据输出单元，该单元与自由层和固定层电连接以将存储在数据存储单元中的数据输出。

优选地，固定层和自由层由铁磁物质形成，且自由层包括至少一个磁畴壁。

优选地，数据输入单元包括：一数据输入线，电流经过该线加载到自由层上，以确定磁化方向；以及一数据输入选择开关，该开关形成在自由层的一端和数据输入线之间。优选地，数据输出单元包括：形成在自由层上的一位线；以及连接至固定层底部的数据输出选择开关。

优选地，数据输入选择开关和数据输出选择开关中的每一个为一二极管、一MOS晶体管、或一双极晶体管。

还提供一种磁随机存取存储器阵列，该阵列具有单元存储器器件的一矩阵结构，每个单元存储器器件包括：一数据存储单元，该单元为磁阻器件，包括一固定层、一自由层、以及该固定层与该自由层之间的非磁性层；一数据输入单元，该单元与该自由层的两端电连接以将数据输入至数据存储单元内；以及一数据输出单元，该单元与自由层和固定层电连接以将存储在数据存储单元中的数据输出。数据输入单元和数据输出单元分别电连接到磁随机存取存储器阵列中的输入选择解码器和输出选择解码器上，以选择具体的单元存储器件。

优选地，数据输入单元包括：一数据输入线，电流经过该线加载到自由层上，以确定磁化方向；以及一数据输入选择开关，该开关形成在自由层的一端和数据输入线之间，并由输入选择解码器电驱动。数据输出单元包括：形成在自由层上的一位线；以及连接至固定层底部并由输出选择解码器电驱动的数据输出选择开关。

优选地，磁随机存取存储器还包括一由基准存储器单元形成的基准列，每个基准存储器单元中，数据存储单元的自由层的磁化方向是固定的。单元存储器器件的位线和基准存储器单元的位线连接至比较器。

还提供一种运行磁随机存取存储器阵列的方法，该磁随机存取存储器阵列包括一阵列、以及分别与数据输入部件和数据输出部件电连接的输入选择解码器和输出选择解码器，以选择该阵列中具体的单元存储器器件，该阵列具有单元存储器器件的一矩阵结构，每个单元存储器器件包括：一数据存储单元，该单元为磁阻器件，包括一固定层、一自由层、以及该固定层与该自由层之间的非磁性层；数据输入单元，该单元与该自由层的两端电连接，以将数据输入至数据存储单元内；以及数据输出单元，该单元与自由层和固定层电连接，以将存储在数据存储单元中的数据输出。该方法包括步骤：(a)利用输入选择解码器选择具体的单元存储器器件，并通过利用数据输入单元将电流加载到所选单元存储器器件上，在数据存储单元的自由层的磁畴中形成预定方向的自旋排列；以及(b)利用输出选择解码器驱动连接到具体单元存储器器件上的输出选择开关，并利用数据输出单元将数据从数据存储单元中读出。

数据输入单元包括：一数据输入线，电流经过该线加载到自由层上，以确定磁化方向；以及一数据输入选择开关，该开关形成在自由层的一端和数据输入线之间，并由输入选择解码器电驱动。此处，步骤(a)包括步骤：利用输入选择解码器驱动数据输入选择开关；并且通过数据输入线在自由层的磁畴中形成预定方向的自旋排列。

数据输出单元包括：形成在自由层上的位线；以及连接至固定层底部并由输出选择解码器电驱动的数据输出选择开关。此处，步骤(b)包括步骤：利用输出选择解码器驱动数据输出选择开关；以及测量数据存储单元的固定层和自由层之间的电阻值，以读出数据。

该阵列还包括一由基准存储器单元形成的基准列，每个基准存储器单元中，数据存储单元的自由层的磁化方向是固定的，且单元存储器器件的位线和基准存储器单元的位线连接至比较器。此处，步骤(b)包括将单元存储器器件的数据存储单元的电阻值与相应于单元存储器器件的基准存储器单元的数据存储单元的固定电阻值进行比较，以输出存储在单元存储器器件中的数据。

附图说明

通过结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，本发明的以上目的和优点将变得更清晰，其中：

图1A至1B是描述根据本发明一实施例的磁随机存取存储器(MRAM)器件的数据输入原理的示意图；

图2A至2B是用于说明根据本发明该实施例的MRAM器件的数据输出原理的示意图；

图3A是根据本发明该实施例的单位MRAM单元的等效电路图；

图3B和3C是根据本发明该实施例的MRAM器件的横截面视图；以及

图4是根据本发明一实施例的MRAM阵列的等效电路图。

具体实施方式

在根据本发明一实施例的磁随机存取存储器(MRAM)中所用的数据存储单元中记录数据并从其中复制数据的原理将参照图1A至2B进行说明。该MRAM器件包括：作为数据存储单元的巨磁阻(GMR)器件或隧道磁阻(TMR)器件；两个开关，用于在整个阵列上选择一单位单元以在数据存储单元中记录数据或自其中复制数据；以及一条电连接线，该线是数据信号输入或输出的路径。

作为根据本发明该实施例的MRAM的数据存储单元的GMR或TMR器件由多个层构成：一固定层、一非磁性层、以及一自由层。数据输入/输出值随自由层的转换方向改变。

非磁性层15在固定层13上形成，该该固定层中，磁化方向固定在一特定方向。自由层12形成在非磁性层15上。非磁性层15是非磁性金属层或氧化物层，且形成在固定层13和自由层12之间，以将它们磁性隔开。自由层12具有一磁畴壁。该磁畴壁是自然形成的，或者其宽度可以通过形成自由层12的铁磁物质的类型或沉积条件来调节。固定层13由铁磁层和抗铁磁层构成。

数据记录的原理将首先得以说明。通常，有多种方法来改变磁畴的磁化方向。首先，信息存储单元的自由层的磁化方向可以利用磁阻器件相对于自由层的反转磁场来确定。其次，磁化方向可以利用电子自旋和磁化相互作用来确定。第三，磁化方向可以利用施加在磁畴上的电流方向来确定。根据本发明的MRAM采用第三种方法。

如果在自由层12的两端施加直流或交流电流，则电流以脉冲10的形式流动。此处，自由层12的磁畴相应于固定层13的磁化方向根据电流的方向改变。磁化方向11代表数据值0或1。如果电流在图1A的相反方向上施加，则磁化方向11与图1A的相反，如图1B所示。此处，磁化方向11代表不同于图1A中所代表的数据值。也即，当磁化方向11在图1A中代表“0”，则在图1B中代表“1”。

数据输出原理将参照图2A和2B说明。根据本发明的MRAM的数据输出原理与传统MRAM的相同。

电流分别施加到数据存储单元的固定层的底部和自由层22的顶部，固定层23和自由层22之间的电阻值得以测量。固定层23和自由层22各自的磁化方向24和21在图2A中相同，而它们在图2B中相反。因此，与通常的磁阻器件相同，图2B中的电阻大于图2A中的，且这种电阻差使存储的数据值得以识别。

根据本发明的MRAM器件将参照图3A至3C进行说明。图3A是根据本发明的MRAM器件的等效电路图。图3B和3C是分别沿线A-A′和B-B′截取的图3A中的MRAM器件的剖视图。

根据本发明的MRAM器件包括：一数据存储单元31，信息记录在其中或自其中复制；两个开关32和36，用于在整个存储器阵列中选择预定的数据存储单元31；以及一条电连接线，数据信号通过该线输入到数据存储单元31中，或自其中输出。需要数据输入单元和数据输出单元来将数据存储到数据存储单元31中，或从其中读出数据。因此，为了在整个阵列中选择一单位单元以输入和输出，需要输入选择开关36和输出选择开关32。

如上所述，根据本发明的MRAM器件的数据存储单元3是磁阻器件，并做成GMR或TMR器件。它具有固定层/非磁性层/自由层的多层结构。该自由层包括多个磁畴。MRAM器件的开关可以做成诸如二极管、MOS晶体管或双极晶体管的器件，该器件可执行开关功能。

在本发明的实施例中，使用两个开关。一个串联连接在自由层上。另一个垂直连接在数据存储器单元的自由层和固定层上，形成电接结构。

具有根据本发明的MRAM结构的单位单元的运行将参照图3A说明。MRAM器件的运行分为：在具有多个单位单元30的矩阵结构的阵列中选择相应的单元；以及将数据记录在选定单元内，或从其中复制数据。

在输入数据时，MRAM阵列中的单个单位单元30被输入选择线37和数据输入线38选定。然后，自数据输入线38提供的数据信息通过输入选择开关36而记录在数据存储单元31中。如上所述，在数据存储单元31的自由层中，磁化方向根据在数据输入线38中流动的电流的方向确定。根据磁化方向，“0”或“1”的数据值被确定并记录。此处，附图标记39表示数据输入路径。

接着，在输出数据时，通过利用检测放大器(S/A)等读取相应于数据存储单元31的各固定层和自由层的磁化方向的电阻差，数据自MRAM单位单元读出，该单位单元由输出选择线33(即，字线)和位线34选定。

图4是具有多个上述MRAM单位单元的矩阵结构的阵列的等效电路图。连接多个单位单元以形成多个列41，并采用基准列42。选择具体存储器列中的MRAM单位单元，利用比较器44将选定的MRAM单位单元的信号与位于同一行上的基准列42中的基准单元的信号进行比较，以读出存储在选定MRAM单位单元的数据存储单元中的“0”或“1”数据值。在每个基准单元43的自由层中，初始自旋方向固定，且用作普通MRAM单位单元中存储的数据值的基准。

参照图4，将首先说明数据输入过程，即数据写入过程。在整个MRAM阵列中选出单位单元A的情形下，输入选择解码器将电源供给至与单位单元A相连的输入选择线45，以导通数据输入选择开关46。输入源极/地将电流通过数据输入线47施加给单位单元A，以确定数据存储单元48的自由层的磁畴内的磁化方向。数据输入线47电连接至每个单位单元的自由层的两侧。数据根据自由层中的自旋排列(即，磁化方向)存储在数据存储单元内。这为数据写入过程。

接着将说明数据输出过程，即数据读出过程。输出选择解码器将电源提供给连接至单位单元A的输出选择线49，即字线。也即，所需的单位单元A通过输出选择线49选取，且单位单元A的数据输出选择开关50导通。接着，电源加载到位线51上，且数据存储单元48的自由层和固定层之间的电阻差得以读出。

根据本发明的优选MRAM阵列设置有基准单元，该基准单元具有与MRAM单位单元相同的结构，且在其自由层中具有固定的磁化方向，即固定的自旋排列。也即，在选择所需的MRAM单位单元时，基准列42中，形成在与所需MRAM单位单元相同的行上的基准单元同时得以选择，且读出其电阻值。此处，所需MRAM单位单元的电阻值通过比较器44与所选基准单元的电阻值进行比较。比较器44连接至普通MRAM单位单元的位线，且连接至基准列42中的基准单元的位线。

如图4所示，在自MRAM单位单元A中读取数据值时，与该MRAM单位单元A共享一输出地的基准单元B在基准列42中得以选择，且基准单元B和MRAM单位单元A的电阻值通过比较器44比较。基准单元B的自由层的磁化方向固定。通过比较电阻值，存储在MRAM单位单元A中的数据值被确定为“0”或“1”。

本发明消除了利用反转磁场的传统技术中的问题，并提供了一种MRAM，该MRAM可以利用具有高极化特性和低驱动功耗的磁性薄膜。另外，本发明提供了一种MRAM单位单元，它具有与磁畴大小一致的尺寸，从而数据可以存储在结构非常简单的数据存储单元内，或从其中读出。因此，本发明可以实现具有高集成密度的MRAM。

Claims (12)

1.一种磁随机存取存储器，包括：

数据存储单元，该单元为磁阻器件，包括固定层、自由层、以及该固定层与该自由层之间的非磁性层；

数据输入部件，该部件与该自由层的两端电连接，用于将电流施加到该自由层上，以将数据输入至数据存储单元内；以及

数据输出部件，该部件与自由层和固定层电连接，以将存储在数据存储单元中的数据输出。

2.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其中，固定层和自由层由铁磁物质形成，且自由层包括至少一个磁畴壁。

3.如权利要求2所述的磁随机存取存储器，其中，数据输入部件包括：

数据输入线，电流经过该线加载到自由层上，以确定磁化方向；以及

数据输入选择开关，该开关形成在自由层的一端和数据输入线之间。

4.如权利要求2所述的磁随机存取存储器，其中，数据输出部件包括：

形成在自由层上的位线；以及

连接至固定层底部的数据输出选择开关。

5.如权利要求4所述的磁随机存取存储器，其中，数据输入选择开关和数据输出选择开关中的每一个均为选自包括二极管、MOS晶体管和双极晶体管的组中的一种。

6.一种磁随机存取存储器阵列，该阵列具有单元存储器器件的一矩阵结构，每个单元存储器器件包括：数据存储单元，该单元为磁阻器件，包括固定层、自由层、以及该固定层与该自由层之间的非磁性层；数据输入部件，该部件与该自由层的两端电连接，以将数据输入至数据存储单元内；以及数据输出部件，该部件与自由层和固定层电连接，以将存储在数据存储单元中的数据输出，

其中，数据输入部件和数据输出部件分别电连接到磁随机存取存储器阵列中的输入选择解码器和输出选择解码器上，以选择具体的单元存储器器件。

7.如权利要求6所述的磁随机存取存储器阵列，其中，数据输入部件包括：数据输入线，电流经过该线加载到自由层上，以确定磁化方向；以及数据输入选择开关，该开关形成在自由层的一端和数据输入线之间，并由输入选择解码器电驱动；以及数据输出部件包括：形成在自由层上的位线；以及连接至固定层底部并由输出选择解码器电驱动的数据输出选择开关。

8.如权利要求7所述的磁随机存取存储器阵列，还包括由基准存储器单元形成的基准列，每个基准存储器单元中，数据存储单元的自由层的磁化方向是固定的，其中，单元存储器器件的位线和基准存储器单元的位线连接至比较器。

9.一种运行磁随机存取存储器阵列的方法，该磁随机存取存储器阵列包括阵列、以及分别与数据输入部件和数据输出部件电连接的输入选择解码器和输出选择解码器，以选择该阵列中具体的单元存储器器件，该阵列具有单元存储器器件的矩阵结构，每个单元存储器器件包括：数据存储单元，该单元为磁阻器件，包括固定层、自由层、以及该固定层与该自由层之间的非磁性层；数据输入部件，该部件与该自由层的两端电连接以将数据输入至数据存储单元内；以及数据输出部件，该部件与自由层和固定层电连接以将存储在数据存储单元中的数据输出，该方法包括步骤：

(a)利用输入选择解码器选择具体的单元存储器器件，并通过利用数据输入部件将电流加载到所选单元存储器器件上，在数据存储单元的自由层的磁畴中形成预定方向的自旋排列，从而存储数据；以及

(b)利用输出选择解码器驱动连接到具体单元存储器器件上的输出选择开关，并利用数据输出部件将数据从数据存储单元中读出。

10.如权利要求9所述的方法，其中，数据输入部件包括：

数据输入线，电流经过该线加载到自由层上，以确定磁化方向；以及

数据输入选择开关，该开关形成在自由层的一端和数据输入线之间，并由输入选择解码器电驱动，以及

步骤(a)包括步骤：

利用输入选择解码器驱动数据输入选择开关；以及

通过数据输入线在自由层的磁畴中形成预定方向的自旋排列。

11.如权利要求10所述的方法，其中，数据输出部件包括：

形成在自由层上的位线；以及

连接至固定层底部并由输出选择解码器电驱动的数据输出选择开关，以及

步骤(b)包括步骤：

利用输出选择解码器驱动数据输出选择开关；以及

测量数据存储单元的固定层和自由层之间的电阻值，以读出数据。

12.如权利要求11所述的方法，其中，该阵列还包括由基准存储器单元形成的基准列，每个基准存储器单元中，数据存储单元的自由层的磁化方向是固定的，

单元存储器器件的位线和基准存储器单元的位线连接至比较器；以及

步骤(b)包括将单元存储器器件的数据存储单元的电阻值与相应于单元存储器器件的基准存储器单元的数据存储单元的固定电阻值进行比较，以输出存储在单元存储器器件中的数据。

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