CN1607606A - 磁存储器装置 - Google Patents

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CN1607606A CNA2004100555001A CN200410055500A CN1607606A CN 1607606 A CN1607606 A CN 1607606A CN A2004100555001 A CNA2004100555001 A CN A2004100555001A CN 200410055500 A CN200410055500 A CN 200410055500A CN 1607606 A CN1607606 A CN 1607606A
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T·C·安东尼
F·A·佩尔纳
H·李
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    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect

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Abstract

一种磁存储器装置(100，200，300)，它包括磁存储器单元(102，202，302)，所述单元包括一种加磁场时能在两种电阻状态之间转换的磁性材料。所述装置还包括连接到磁存储器单元(102，202，302)的导线，该导线具有彼此电连接的导电搭接件(114，214，311)和导电的字或位线(116，118，216，310，312)。导电搭接件(114，214，311)设置在字或位线(116，118，216，310，312)和磁存储器单元(102，202，302)之间，其热阻大于字或位线(116，118，216，310，312)的热阻，为从磁存储器单元(102，202，302)到字或位线(116，118，216，310，312)的热传导提供了屏障。

Description

磁存储器装置
技术领域
本发明涉及磁存储器装置，更具体地说，涉及在磁存储器装置中存储数据的方法和结构。
背景技术
非易失性磁随机存取存储器(MRAM)装置有潜力在某些应用中替代易失性动态随机存取存储器(DRAM)装置和静态随机存取存储器(SRAM)装置。MRAM装置包括用隧穿磁阻(TMR)、大磁阻(CMR)和巨磁阻(GMR)技术工作的单元阵列。
通常以”数据”和”参考”层为基础构成MRAM单元。数据层包括可写磁性材料，参考层包括固定磁性材料。二者之间的介质层对电流具有大一些或小一些的电阻，根据来自所述各夹层的磁场是互相抵消还是相互增强而定。
在写入操作时，通过经由邻近线环施加电磁场来使数据层的磁化在两种相反的状态之间转换。因此可以存储二进制的信息。参考层通常包括一种磁性材料，其磁化状态是固定的。加到数据层的磁场穿透参考层时，其强度不足以转换参考层中的磁化状态。
例如，在TMR单元中，数据层和参考层由一薄介质层分隔开，形成隧道结。电子能够穿过介质层的概率取决于相对于参考层的磁化方向的数据层的磁化方向。所以，此结构为”磁阻”性，通过读出能够通过存储器单元的隧穿电流的大小来存储和检索信息。
一般来说，使磁存储器单元尽可能地小以便提高存储器密度和降低成本是有利的。但当单元变小时，热稳定性问题就更为重要了。为了确保存储的信息不因环境影响引起的随机转换而丢失，必要的条件是：小磁存储器单元的数据层具有这样的特性，使得转换磁化状态所需的磁场强度高于较大的存储器单元转换磁化状态所需的磁场强度。遗憾的是，产生较大场强的必要性使写入操作时存储器的转换更为困难。
众所周知，提高磁存储器单元的温度会降低转换所需的磁场强度。此外，当电流通过磁存储器单元时，会在单元中产生热。但这种产生的热很容易通过位线传导到存储器单元之外，不能利用来促进磁存储器单元的转换。
因此需要一种磁存储器装置，其磁存储器单元中的热损耗可以减小，因而可以利用所述热量来促进转换。
发明内容
简言之，本发明的磁随机存取存储器(MRAM)实施例包括在磁场作用下能在中间介质层的两种不同电阻状态之间转换的磁存储器单元。MRAM还包括连接到磁存储器单元的导线。导电线路具有导电搭接件和导电字或位线，二者互相电连接。所述导电搭接件设置置在字或位线和磁存储器单元之间并且其热阻大于字或位线的热阻，以便为从磁存储器单元到字或位线的热传导提供屏障。
从以下对本发明实施例的说明可以更充分的理解本发明。所述说明是参考附图进行的。
附图说明
图1为按照本发明第一实施例的磁存储器装置的透视图；
图2为按照本发明第二实施例的磁存储器装置的透视图；以及
图3为按照本发明第三实施例的磁存储器装置的透视图。
具体实施方式
图1示出本发明的第一磁随机存取存储器装置(MRAM)的实施例，这里以总标号100代表。MRAM 100包括许多单个的磁阻存储器单元102。在此例中，每个存储器单元102是隧穿磁阻存储器(TMR)单元。每个存储器单元102包括磁参考层104、介质层106和磁数据层108。此装置分别包括导电字线110和112。这些字线通常是由金属，例如铝或铜制成的。这两种材料都是很好的热导体。
字线110和112可以相当有效地使存储器单元散热，且任何局部发热都可迅速传导出去。但是，如果允许把这种局部发热的一部分积聚在各有源存储器单元102处，那么，这种热量就可用来使转换数据层108的位稍微容易一些。因此，本发明取决于这一点。所以，搭接件114具有狭窄的颈部，它减小了通到字线110和112中的金属的热通路。搭接件114被加工成锥形或金字塔形。
MRAM 100包括导线，例如具有搭接件和字或位线的字线110和112，在此实例中，分别是搭接件114和导轨116。搭接件的热阻大于字或位线的热阻，为热传导提供了屏障。在此实例中，搭接件114被低导热材料例如SiO2包围。热屏障的建立是因为能传导热的搭接件114的截面积减小了。因此，更多的由存储器单元产生的热可以利用来促进磁存储器单元102的转换。
每个磁存储器单元102还连接到位线，使得磁存储器单元被设置在字线110和112与位线118之间。为清晰起见，仅示出一条位线118。
数据层108包括一种磁性材料，这样选择所述磁性材料，使得其磁化方向可以随外加磁场而变地转换。一般来说，MRAM 100具有这样的特性，使得数据层108中的磁化具有两个相反的方向，以便可以随由加到位线118和/或字线104上的电流产生的磁场的方向而变地存储二进制信息。当沿着位线和/或字线的方向施加电流时，磁场就会围绕位线和/或字线，所述磁场可以用来转换数据层108的磁化状态。
图1示意地表示电路单元120，它在使用时产生通过位线118的写入电流。所述电路还可以通过字线110和112产生写入电流。为清晰起见，字线110和112与电路单元120的电连接未示出。每个磁存储器单元可以包括许多附加层，为了简洁，均未示出。
介质层106足够薄，所以当在字线110或112和位线118之间加适当电位时，就会有隧穿电流流过介质层106。存储器单元的隧道效应概率以及其有效电阻取决于相对于参考层104的磁化方向的数据层108的磁化方向。所以，根据取决于存储器单元102的电阻的隧穿电流，就可以确定数据层中的磁化取向。
MRAM 100还包括读出电路，用于在读出操作时检测所选存储器单元102的电阻。在读出操作期间，将恒定电源电压或地电位加到磁存储器单元102两端。所述恒定电源电压可由外部电路提供。为简化本说明，读出电路未示出。
MRAM 100可以包括一个阵列，由任何数量的存储器单元102组成并排列成任何行数和列数。而且，MRAM 100可以包括其它磁存储器单元，例如大磁阻存储器单元(CMR)或巨磁阻存储器单元(GMR)。
搭接件114可以包括铝、钨、铜、非晶碳、掺杂的非晶或掺杂的多晶硅或任何导电材料。可能的材料是导电非晶材料，例如非晶硅或非晶碳，因为它们的非晶状态而有较高的热阻。在此实例中，每个搭接件114的面积减小了的上表面与各自的磁存储器单元的参考层相接触。应当指出，搭接件114也可以不与磁存储器单元102的磁性材料相接触。例如，可以在搭接件114和各自的磁存储器单元102的磁性材料之间设置其它材料层。
或者，搭接件114不一定是金字塔形，而可以有任何其它合适的形状，包括凸起在导轨116之上的圆锥形或圆柱形，或近似于矩形棱柱形的形状。字线110和112也可以起位线的作用。每个磁存储器单元可以包括许多附加层，例如盖层、非晶含氟聚合物薄膜(AF)和子晶层。
在此实施例的具体实例中，搭接件114的高度大约为100nm，底面积约为150×150nm。磁存储器单元102和搭接件114之间的接触面积小于50×50，并可能小到10×10nm。字线110和112可以包括铜，并且可以把各字线110和112与各自的搭接件114以整体的方式形成。但在此实例中，搭接件114可以包括掺杂的非晶硅。
此处，数据层108包括镍铁(NiFe)、参考层104包括钴铁(CoFe)、而介质层106包括Al2O3。这些层具有大约150nm×300nm的相同的平面面积，且参考层104、数据层108和介质层106的厚度分别为大约3.5nm、3nm和1.2nm。
可以利用传统的通路加工技术来制造搭接件114，并且调节通路的刻蚀参数，以便选择性地使对通路上部的横向刻蚀多于对通路底部的横向刻蚀。首先用铜镶嵌(damascene)工艺制造铜线110和112。将导电通路材料层，例如大约100nm厚的掺杂的非晶硅，淀积在具有图案的位线上。利用正抗蚀剂光刻工艺来限定金字塔的位置和大小。随后利用各向同性刻蚀工艺产生金字塔形结构。淀积SiO2厚层并进行化学机械抛光(CMP)，得到一个平整表面，暴露出金字塔的顶端以便与存储器单元102接触。淀积存储器单元的各层104、106和108，结束所述制造过程。
图2示出MRAM装置的第二实施例。图2示出包括磁存储器单元202的装置200。每个磁存储器单元包括参考层204、介质层206和数据层208。磁存储器单元202的结构和组成类似于图1所示和上述的磁存储器单元102。所述装置包括导线，例如具有搭接件和字或位线的字线210和212，在此实例中，分别是通路214和导轨216。通路214是导电的，可以包括铝、钨、铜、非晶碳、掺杂的非晶或掺杂的多晶硅等等。在此实施例中，每个通路214设置成围绕绝缘材料圆柱。应当指出，通路214可以不与磁存储器单元202的磁性材料相接触。例如，可以在通路214和磁存储器单元202的磁性材料之间设置其它材料层。
还应当指出，用另一种方法，通路214可以具有任何其它管状，包括矩形截面的形状。字线210和212也可以起位线的作用。此外，每个磁存储器单元可以包括许多附加层，例如盖层、AF和子晶层。
在此实施例的实例中，通路214的高度为大约100nm，直径小于大约150nm。磁存储器单元202和金字塔214之间的接触面积小于50×50nm，并且可能小到10×10nm。字线210和212可以包括铜，而通路214可以包括掺杂硅，并且以SiO2的核心圆柱芯子为中心。
可以利用已知的半导体加工方法的组合来制造通路214，包括隔离层制造和化学机械抛光。例如，首先将电和热绝缘材料层，例如SiO2，淀积到至少等于通路214的最终所需厚度。然后，利用标准的光刻和刻蚀工艺将这一层加工成图案，成为在字线210和212上的圆柱形区。然后围绕圆柱区的外周形成隔离层，方法是：首先淀积导电材料的均匀层，然后利用各向异性刻蚀去除各处的导电材料，但保留圆柱区的垂直侧壁上的导电材料。淀积SiO2厚层并进行化学机械抛光(CMP)，得到平整表面，暴露出通路顶端以便与存储器单元202相接触。淀积存储器单元的各层204、206和208，结束制造过程。这样存储器单元202就通过通路214电连接到字线210和212。
装置200包括磁存储器单元阵列和各自连接到多个磁存储器单元的许多位线和字线。装置200还包括如110的位线和电路，为清晰起见图2中未示出。
参阅图3，本发明的MRAM实施例在此用总标号300表示。MRAM 300包括磁存储器单元302的阵列。每个磁存储器单元302包括磁性参考层304、隧穿介质层306和磁性数据层308。每条字线有两部分：高导电率的基底轨道310和312和低导电率的单元接触轨道311和313。这些轨道都设置在电和热绝缘衬底314和316内。
虽然搭接件311、313和字或位线310、312在图3中示出具有同样的宽度，但是二者可以具有不同的截面几何形状，和不同的材料。
为了尽量减少存储器单元的热传导同时又保持沿字线的高的导电率，搭接件的宽度应显著地小于字或位线的宽度。例如，搭接导轨面311和313的高度和宽度可以分别为约100nm和10nm，而字或位线310和312的高度和宽度可分别为约200nm和200nm。搭接导轨面311和313的顶部与相应的磁存储器单元302的相应的参考层304相接触。由于搭接导轨面311和313只有比较小的截面积能将热传导到字或位线310和312，磁存储器单元312的散热就可减少。因此，存储器单元产生的热量中较多的热量保留下来，用来促进数据转换。
搭接件可以包括掺杂的非晶硅，其热阻大于铜，故进一步减少了热的损失。字或位线310和312可以包括电阻较低的铜，且字或位线310和312所传导的电流比搭接导轨面311和313要大。
应当指出，搭接导轨面311和313也可以不与磁存储器单元302的磁性材料相接触。例如，可以在磁存储器单元302的磁性材料和搭接导轨面311和313之间设置其它材料层。此外，还应当指出，字线也可以起位线的作用。
此处，数据层308包括镍铁(NiFe)，参考层304包括钴铁(CoFe)，而介质层306包括Al2O3。这些层具有大约150nm×300nm的相同平面面积，且参考层304、数据层308和介质层306的厚度分别为大约3.5nm，3.0nm，和1.2nm。
制造位线如310和312等的一种方法包括以下步骤。首先在介质衬底中刻蚀沟道。然后用金属材料例如铜涂敷介质衬底和沟道内部，以便填充所述沟道。在淀积铜之前可以先形成薄的扩散阻挡层或附着层，材料为例如Ta或TaN。然后用化学机械抛光工艺将铜线和周围的介质平面化。然后将第二介质材料淀积在平面化表面上，并将其刻蚀成沟道，使得沟道的一边位于下面的铜线上方或与之平行。可以使沟道的第二边位于邻近的铜线上方。然后，在第二介质的上表面，沟道内部和暴露的铜表面上涂敷电导体(但又是差的热导体)，例如掺杂的非晶硅。在各向异性的刻蚀过程中，除了沟道壁之外从所有区域上去除硅，于是形成了硅条。随后用第三种介质材料充填沟道，再用化学机械抛光工艺将硅条和周围介质平面化。在平面结构上形成磁存储器单元，使得存储器单元连接到硅条的边缘。
每个磁存储器单元302可以包括许多附加层，例如盖层、AF和子晶层。MRAM 300包括磁存储器单元阵列和各自连接到多个磁存储器单元的许多位线和字线。此外，MRAM 300还包括位线和电路，为清晰起见图3中未示出所述位线和电路。
一般来说，字或位线具有较低的电阻，适合于传送较大的电流。可以使搭接件具有这样的形状，以便使其热阻大于字或位线的热阻，并且通过减小用于从磁存储器单元向另一方传热的搭接件的截面积来建立热屏障。邻近搭接件的区域可以包括热和电绝缘材料。搭接件可以另外或者附加地包括热阻高于字或位线热阻的材料。例如，搭接件可以包括非晶硅。
搭接件的电阻最好小于磁存储器单元本身电阻的10％。搭接件具有较低的电阻(具有电性能上的优点)，同时提供热屏障。搭接件和字或位线可以相互连接，或者形成为一个整体。
所述导线可以是位线。所述导线可以是字线。所述导线还可以是两条或多条线之一，例如，位线和字线可以连接到磁存储器单元。磁存储器可以有相对的表面，且导线连接到所述相对的表面。
搭接件可以与磁存储器单元电接触。或者，可以在搭接件和磁存储器单元之间设置至少一层其他材料。
例如，字或位线可以具有周边表面并且搭接件可以是朝向磁存储器单元凸起的搭接件。在这种情况下，可以通过减小搭接件的传热截面积来减少散热，并且如果搭接件包括其热阻率高于字或位线热阻率的材料，则可以进一步减少散热。磁存储器单元具有与导线连接的面，而搭接件具有一个区域，在该区域中能导热的截面积小于磁存储器单元所述连接面积的大约20％。搭接件的底面连接到字或位线。
可以把搭接件和字或位线形成为一个整体。搭接件通常是锥形或金字塔形。搭接件也可是管形。此时，搭接件还包括绝缘材料的圆柱芯，管形搭接件位于圆柱芯周围。
导线在其长度方向上可以具有大概均匀的截面形状。第一和字或位线可以是平行的。磁存储器单元可以具有底部表面，而搭接件连接到磁存储器单元的面积可小于该底部表面。在这种情况下，由于减小了搭接件的能导热的截面积，所以可以减少散热。磁存储器单元具有一个和导线连接的面，而搭接件有一个区域，在这区域中能导热的截面积小于磁存储器单元的所述连接面积的大约20％。如果搭接件包括一种热阻率高于字或位线热阻率的材料，则可以进一步减少散热。
磁存储器装置通常是磁存储器装置阵列中的一个装置。所述装置包括多条导线，每条导线连接到多个磁存储器单元。
所述磁存储器装置是磁随机存取存储器(MRAM)装置。MRAM装置可以是任何类型的磁存储器装置，例如大磁阻(CMR)存储器装置或巨磁阻(GMR)存储器装置，但也可以是隧道效应磁阻(TMR)存储器装置。磁存储器单元包括磁数据层、磁参考层和夹在数据层和各层之间的介质层，使得可以在介质层形成隧道结。
本发明在另一实施例中提供一种包括磁存储器单元的磁存储器装置，所述磁存储器单元包括一种在加磁场时能在两种状态之间转换的磁性材料，以及连接到磁存储器单元并且按照一定取向设置的导线，选择所述取向以便降低从磁存储器单元到导线的传热。
本发明在又一实施例中提供一种磁存储器装置，它包括：磁存储器单元阵列，每个磁存储器单元在磁场作用下能在中间介质层的两种不同电阻状态之间转换；多条导线，每条线路连接到多个磁存储器单元，并且至少部分导线具有彼此连接的导电搭接件和导电的字或位线；每个搭接件设置在相应的字或位线和至少一些磁存储器单元之间并且其热阻大于字或位线的热阻，从而为磁存储器单元到字或位线的热传导提供了屏障。
多个搭接件可以从每条字或位线向相应的磁存储器单元凸起。或者，至少一些包括搭接件和字或位线的导线在长度方向上可具有均匀的截面形状。
本发明在实施例中还提供一种包括磁存储器单元的磁存储器装置，所述磁存储器单元包括一种在加磁场时能在两种状态之间转换的磁性材料。导线连接到磁存储器单元，所述导线是一条带，具有边缘和主表面，所述边缘连接到磁存储器单元。
虽然已参阅具体实例对本发明作了说明，但是本专业的技术人员应理解本发明可以用其它许多形式实施。例如，磁存储器单元可以是大磁阻存储器(CMR)单元或巨磁阻存储器(GMR)单元。此外，应当指出，各个低导热率搭接件不仅可从下部(如图所示)，也可从上部或同时从上部和下部接触磁存储器单元。此外，低导热率搭接件也可不在磁存储器单元的底部或顶面中心接触磁存储器单元，而可在靠近磁存储器单元的边缘处建立接触。

Claims (8)

1.一种磁随机存取存储器装置(100，200，300)，它包括：
磁存储器单元(102，202，302)阵列，每个所述单元具有能转换状态的磁数据层(108，208，308)，其中，所述转换在较高的局部温度下时更易实现；
位线和字线网格(116，118，218，310，312)，所述位线和字线连接到所述阵列并提供数据存取，其中，对所述阵列中的每个磁存储器单元(102，202，302)来说，存在一条通到所述网格的导热和导电通路；以及
多个热阻搭接件(114，214，311)，它们将所述阵列中的每一个磁存储器单元(102，202，302)电连接到所述网格(116，118，218，310，312)中相应的点，并且所述热阻搭接件增加了对每个所述磁存储器单元(102，202，302)所产生的热的热阻；
其中，在工作期间，可使有源磁存储器单元(102，202，302)发热到较之其它情况下更高的温度，因为相应的热阻搭接件干扰了所述有源磁存储器单元向相应的字线和位线(116，118，218，310，312)的散热，因此以较少的外加能量就可转换磁性状态。
2.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于：
所述多个热阻搭接件各自制造成金属三维锥形或金字塔形(114)。
3.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于：
所述多个热阻搭接件(114，214，311)各自制造成金属通路，其截面积小于邻近的位线或字线(116，118，218，310，312)。
4.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其特征在于：
所述多个热阻搭接件(114，214，311)各自用其导热率比所述字或位线(116，118，218，310，312)导热率小的材料制造。
5.一种改进磁随机存取存储器装置(100，200，300)的方法，所述方法包括：
布置磁存储器单元(102，202，302)阵列，每个所述单元具有能转换状态的磁性数据层(108，208，308)，其中，所述转换在较高的局部温度时更易实现；
将位线和字线网格(116，118，218，310，312)连接到所述阵列并提供数据存取，其中，对所述阵列中的每个磁存储器单元(102，202，302)来说，存在一条通到所述网格的导热和导电通路；以及
将多个热阻搭接件(114，214，311)电连接到所述阵列中的每一个相应的磁存储器单元(102，202，302)，以增加对每个所述磁存储器单元(102，202，302)所产生的热的热阻；
其中，在工作期间，可使有源磁存储器单元(102，202，302)发热到较之其它情况下更高的温度，因为相应的热阻搭接件(114，214，311)干扰了所述有源磁存储器单元向各字线和位线(116，118，218，310，312)的散热，因此以较少的外加能量就可转换磁性状态。
6.一种磁随机存取存储器装置(100，200，300)，它包括：
磁存储器单元(102，202，302)阵列，每个所述单元具有能转换状态的磁数据层(108，208，308)，其中，所述转换在较高的局部温度时更易实现；
位线和字线网格(116，118，218，310，312)，所述位线和字线连接到所述阵列并提供数据存取，其中，对所述阵列中的每个磁存储器单元(102，202，302)来说，存在一条通到所述网格的导热和导电通路；以及
多个热阻导轨面(214)，它们将所述阵列中相应的磁存储器单元(102，202，302)电连接到所述网格中相应的点，并且所述热阻导轨面增加了对每个所述磁存储器单元(102，202，302)所产生的热的热阻；
其中，所述多个热阻导轨面(214)沿所述磁存储器单元(102，202，302)的行或列一对一地以完全接触的形式设置在所述位线和字线(116，118，218，310，312)中的至少一条上；以及
其中，在工作期间，可使有源磁存储器单元(102，202，302)发热到较之其它情况下更高的温度，因为相应的热阻搭接件干扰了所述有源磁存储器单元向相应的字线和位线(116，118，218，310，312)的散热，因此以较少的外加能量就可转换磁性状态。
7.如权利要求6所述的磁随机存取存储器，其特征在于：
与所述位线和字线(116，118，218，310，312)相比较，所述多个热阻导轨面(214)各自制造具有较小截面积的导线。
8.如权利要求6所述的磁随机存取存储器，其特征在于：
与所述位线和字线(116，118，218，310，312)相比较，所述多个热阻导轨面(214)各自是用具有较小导热率的材料制成的。
CNA2004100555001A 2003-10-15 2004-08-16 磁存储器装置 Pending CN1607606A (zh)

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