CN1901087A - 基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，其使用环状磁性多层膜或环状含金属芯的磁性多层膜作为存储单元。该MRAM是通过流经存储单元中的电流的大小和方向来实现读操作和写操作；或是通过对存储单元中的金属芯施加的电流来实现写操作，通过对存储单元中的环状磁性多层膜施加的隧穿电流来实现读操作。与现有技术相比，该MRAM通过采用新的环状的磁性多层膜作为存储单元，利用正负两个方向的极化隧穿电流自身产生的环行磁场或者金属芯中正负两个方向的驱动电流产生的环形磁场，并结合自旋转力矩效应，进行数据的读写操作，使得MRAM的控制更加简便，并降低了结构的复杂性、制造工艺难度及成本，提高了应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器(MRAM)，及其控制方法
背景技术
自20世纪80年代末期Baibich等人在磁性多层膜系统中首次观察到巨磁电阻效应(Giant Magneto Resistance，GMR)以来，磁性多层膜体系的研究一直是科研人员普遍关注的一个课题。由于GMR效应具有很高的磁电阻比值，因此可以广泛应用到磁电阻型传感器、磁记录读出磁头等领域。用GMR制成的器件不仅具有灵敏度高、体积小、功耗低等优良特点，还可以带来抗辐射、非易失性信息存储等许多新特性。特别是将GMR效应用于磁记录读出磁头则给整个信息记录领域带来了一场深刻的革命，并对相关产业产生了直接而深远的影响。1994年IBM公司利用GMR效应成功研制出硬磁盘读出磁头，将磁盘存储系统的记录密度提高了近20倍，使计算机产业取得了突破性进展；基于GMR效应制成的各类传感器件则由于输出信号增强而使得器件设计大为简化，这直接导致了器件的小型化与廉价化。
继GMR效应发现之后，1995年日本科学家T.Miyazaki和美国科学家J.S.Moodera在磁性隧道结(MTJ)中分别独立获得了室温下18％和10％的隧道磁电阻(TunnelingMagneto Resistance，TMR)比值，从而掀起了磁性隧道结的研究高潮。研究人员基于GMR效应以及磁性隧道结而设计了一种新型磁性随机存取存储器(Magnetic RandomAccess Memory，MRAM)的器件模型，这种器件由于采用了全新的设计而具有许多激动人心的新特性，诸如抗辐射、非易失性信息存储等。典型的MRAM核心部分结构由四部分构成：位线(Bit Line)、写字线(Word Line)，读字线(Read Line)和存储单元。位线和写字线，读字线分别位于存储单元的上方和下方，呈纵横交叉排列，存储单元则位于位线和字线的交叉处。MRAM读写过程则由字线和位线电流共同作用而完成，这种工作方式明显的依赖于字线和位线电流所产生的磁场来操控存储单元的磁化状态，结构和工艺十分复杂，给器件的加工和集成带来了极大的不便。
1996年，美国科学家J.Slonczewski从理论上预言了一种新的物理机制—自旋转力矩(Spin Torque，ST)效应，这种物理机制可以利用电流自身实现对存储单元磁化状态的操控，当存储单元中流过的电流小于某个特定的临界值IC时，存储单元磁化状态不会被存储单元中流过的电流所改变，从而可以实现读操作；而当存储单元中流过的电流大于这个临界值IC时，存储单元磁化状态将由存储单元中流过的电流的方向所决定，从而可以实现写操作。在随后的十几年中，科学家们对这种新效应进行了大量广泛而深入的研究。如果将这种新机制应用到磁性多层膜系统以及MRAM等器件中，则能够极大地简化器件结构和加工工艺，这将为信息存储领域带来又一次革命性的突破。
在现有技术中普遍使用的MRAM器件存储单元以及本申请人的在先专利申请CN1564260中公开的MRAM器件中，使用的存储单元—如比特层(软磁层或自由软磁层)和其它被钉扎磁性层(或硬磁层)—的几何结构均采用非闭合结构，如矩形、椭圆形等，这种结构在高密度小尺寸存储单元下将会带来较大的退磁场和形状各向异性，这种缺陷无疑会增大比特层(软磁层或自由软磁层)的反转场和功耗，同时在高密度状态下磁记录单元之间的磁耦合和相互干扰不可避免，对存储单元的磁电性能的均匀性和一致性也带来许多不利的影响，并且给存储单元的设计和制备带来诸多结构上和工艺过程中的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的磁性随机存取存储器使用非闭合结构的磁性多层膜作为存储单元时，由于非闭合结构存储单元的退磁场和形状各向异性的影响，以及在高密度状态下磁记录单元之间存在磁耦合和相互干扰，使得MRAM在读写方法上产生的一些技术困难和缺陷，从而提供一种基于环状磁性多层膜的、可以消除存储单元的退磁场、减弱其形状各向异性以及相互作用和干扰的磁性随机存取存储器，及其控制方法。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：
本发明提供的基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，其特征在于：使用环状磁性多层膜或环状含金属芯的磁性多层膜作为存储单元。
所述的环状磁性多层膜已另案申请专利，其包括常规的磁性多层膜的各层，且该磁性多层膜的横截面呈闭合的圆环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm。
所述的环状含金属芯的磁性多层膜已另案申请专利，其包括常规的磁性多层膜的各层，还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该磁性多层膜的横截面呈闭合的圆环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm，该金属芯的直径为5～50000nm。
所述的金属芯的材料为电阻率较小的金属材料，优选Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al等。该金属芯的作用是从外部施加电流，通过电流产生的环形磁场操控磁性多层膜的磁化状态，从而可以更方便的进行磁性多层膜存储单元的写操作。
本发明所述的用做存储单元的环状磁性多层膜或环状含金属芯的磁性多层膜，按照形成的材料分类，包括无钉扎型的和钉扎型的。
对于无钉扎型的，其磁性多层膜的核心结构包括一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的硬磁层(以下简称HFM)、中间层(以下简称I1)、软磁层(以下简称SFM)及覆盖层。
所述的衬底为各种常规衬底材料，优选Si衬底、SiC衬底或Si/SiO2衬底等，厚度为0.3～1mm；
所述的下部缓冲导电层的组成材料为金属材料，优选Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，厚度为2～200nm；
所述的硬磁层HFM的组成材料为巨磁电阻效应大的材料，如Co，Fe，Ni，CoFe，NiFeCo，CoFeB，CoFeSiB等，厚度为2～20nm；
所述的中间层I1由金属层或者绝缘体势垒层构成，其中金属层材料如Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，绝缘体势垒层材料如Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中间层的厚度为0.5～10nm；
所述的软磁层SFM的组成材料为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料，包括：Co，Fe，Ni或它们的金属合金NiFe，CoFeSiB，NiFeSiB，或非晶Co100-x-yFexBy(0＜x＜100，0＜y≤20)，或Heusler合金，如Co2MnSi，Co2Cr0.6Fe0.4Al；软磁层材料优选Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni79Fe21；所述的软磁层的厚度为1～20nm；
所述的覆盖层为不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料，优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au、Cr等，厚度为2～10nm，用于保护材料不被氧化。
对于钉扎型的，其磁性多层膜的核心结构包括一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的反铁磁钉扎层(以下简称AFM)、被钉扎磁性层(以下简称FM1)、中间层(以下简称I2)、自由软磁层(以下简称FM2)及覆盖层。
所述的衬底为各种常规衬底材料，优选Si衬底、SiC衬底或Si/SiO2衬底等，厚度为0.3～1mm；
所述的下部缓冲导电层的组成材料为金属材料，优选Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al，厚度为2～200nm；
所述的反铁磁钉扎层AFM的组成材料为具有反铁磁性的合金，优选IrMn，FeMn，PtMn，或CrMn，厚度为3～30nm；
所述的被钉扎磁性层FM1的组成材料为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，如Fe、Co、Ni及其合金，优选CoFe合金，NiFe合金，非晶CoFeB合金，CoFeSiB等，厚度为2～20nm；
所述的中间层I2由金属层或者绝缘体势垒层构成，其中金属层材料如Ti，Zn，ZnMn，Cr，Ru，Cu，V或TiC，绝缘体势垒层材料如Al2O3，MgO，TiO，ZnO，(ZnMn)O，CrO，VO，或TiCO，中间层的厚度为0.5～10nm；
所述的自由软磁层FM2的组成材料为自旋极化率高，矫顽力较小的铁磁材料，包括：Co，Fe，Ni或它们的金属合金，或非晶Co100-x-yFexBy(0＜x＜100，0＜y≤20)，或NiFeSiB，或Heusler合金，如Co2MnSi、Co2Cr0.6Fe0.4Al；软磁层材料优选Co90Fe10，Co75Fe25，Co40Fe40B20，或Ni79Fe21；所述的软磁层的厚度为1～20nm；
所述的覆盖层为不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料，优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au、Cr等，厚度为2～10nm，用于保护材料不被氧化。
本发明提供的基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器包括以下几种类型：
1.本发明提供一种基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，如图1A、1B所示，包括：
晶体管TR单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；
环状磁性多层膜存储单元RML构成的存储单元阵列，其中存储单元的几何结构为环状磁性多层膜；
连接上述晶体管TR单元和环状磁性多层膜存储单元RML的过渡金属层；
以及字线WL和位线BL，所述的字线WL同时也是所述的晶体管TR的栅极，所述的位线BL布置在所述的环状磁性多层膜存储单元RML的上方，与所述的字线WL相互垂直，并且与所述的环状磁性多层膜存储单元RML直接连接。
根据背景技术中介绍过的自旋转力矩效应，本发明提供一种上述基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器的控制方法，其为通过流经存储单元RML中的电流的大小和方向来实现MRAM的读操作和写操作，具体如下：
当环状磁性多层膜存储单元RML中的电流小于一个特定的低临界值IC1(相应电流密度JC1＝10～102A/cm2，电流＝电流密度×环状磁性多层膜截面积)时，其比特层(软磁层或自由软磁层)的磁化状态不会受到改变，从而实现MRAM的读操作；
当环状磁性多层膜存储单元RML中的电流大于这个低临界值IC1并且小于高临界值IC2(相应电流密度JC2＝102～106A/cm2，电流＝电流密度×环状磁性多层膜截面积)时，电流的方向将会改变环状磁性多层膜存储单元RML比特层(软磁层或自由软磁层)的磁化状态，通过正向和负向自旋极化隧穿电流(即通过极化隧穿电流诱导的环行磁场的驱动作用和自旋转力矩的联合作用)，实现其比特层(软磁层或自由软磁层)的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向，使得比特层(软磁层或自由软磁层)与被钉扎磁性层(或硬磁层)的磁化状态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反(即磁化强度平行或反平行)，从而获得低电阻和高电阻两种状态(即获得高输出电压和低输出电压两种状态)，也就是通过控制电流的方向就可以实现MRAM的写操作；
如果写电流超过高临界电流值IC2(即大于该临界电流后)，被钉扎磁性层(或硬磁层)的原来沿顺时针或逆时针取向的磁化状态将被反转，即会导致比特层(软磁层或自由软磁层)和被钉扎磁性层(或硬磁层)一起被反转从而产生相同的磁化强度取向，所以写电流必须小于高临界电流值IC2。即读电流要小于低临界电流IC1，写电流必须大于低临界电流IC1而小于高临界电流IC2。
2.本发明提供另一种基于环状含金属芯的磁性多层膜的磁性随机存取存储器，如图2A、2B所示，包括：
晶体管TR单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；
环状含金属芯的磁性多层膜存储单元RML构成的存储单元阵列，其中存储单元的几何结构为环状含金属芯磁性多层膜；
连接上述晶体管TR单元和环状含金属芯的磁性多层膜存储单元RML的过渡金属层；
以及字线WL和两条位线BL1、BL2，所述的字线WL同时也是所述的晶体管TR的栅极，所述的两条位线BL1、BL2布置在所述的环状含金属芯的磁性多层膜存储单元RML的上方，位线BL1与所述的字线WL相互垂直，并且与所述的环状含金属芯的磁性多层膜存储单元RML直接连接，位线BL2与所述的环状含金属芯的磁性多层膜存储单元RML中的金属芯直接相连，并且由一层绝缘层与位线BL1相互隔离。
本发明提供上述基于环状含金属芯的磁性多层膜的磁性随机存取存储器的控制方法，其为通过对存储单元RML中的金属芯施加的电流来实现MRAM的写操作，通过对存储单元RML中的环状磁性多层膜施加的隧穿电流来实现MRAM的读操作，具体如下：
在环状含金属芯的磁性多层膜存储单元RML的磁性多层膜中的施加的电流小于一个特定的低临界值IC1(相应电流密度JC1＝10～102A/cm2，电流＝电流密度×环状磁性多层膜截面积)时，其比特层(软磁层或自由软磁层)的磁化状态不会受到改变，从而实现MRAM的读操作；
在环状含金属芯磁性多层膜存储单元RML中的金属芯中施加电流，由于电流产生的磁场呈环状分布，因此可以方便的控制环状磁性多层膜的磁化状态，具体方法为：当环状含金属芯磁性多层膜存储单元RML中的金属芯中施加电流大于低临界值IC1并且小于高临界值IC2(相应电流密度JC2＝102～106A/cm2，电流＝电流密度×金属芯截面积)时，电流的方向将会改变环状磁性多层膜存储单元RML比特层(软磁层或自由软磁层)的磁化状态，通过正向和负向的驱动电流产生顺时针或逆时针方向的磁场，实现其比特层(软磁层或自由软磁层)的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向，使得比特层(软磁层或自由软磁层)与被钉扎磁性层(或硬磁层)的磁化状态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反(即磁化强度平行或反平行)，从而获得低电阻和高电阻两种状态(即获得高输出电压和低输出电压两种状态)，也就是通过控制电流的方向就可以实现MRAM的写操作。
如果写电流超过高临界电流值IC2(即大于该临界电流后)，被钉扎磁性层(或硬磁层)原来沿顺时针或逆时针取向的磁化状态将被反转，即会导致比特层(软磁层或自由软磁层)和被钉扎磁性层(或硬磁层)一起被反转从而产生相同的磁化强度取向，所以写电流必须小于高临界电流值IC2。即读电流要小于低临界电流IC1，写电流必须大于低临界电流IC1而小于高临界电流IC2。
在现有技术中MRAM的数据写操作是依靠写字线和位线所产生的磁场的共同作用来操控存储单元比特层的磁化状态，因此在工艺结构上需要有两个金属布线层分别布置写字线和位线。而与现有技术相比，本发明提供的基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，通过采用新的环状的磁性多层膜几何结构作为存储单元，利用正负两个方向的极化隧穿电流自身产生的环行磁场或者金属芯中正负两个方向的驱动电流产生的环形磁场，并结合自旋转力矩效应，进行数据的读写操作，使得MRAM的控制更加简便：利用自选转力矩效应使得数据的读、写操作由一条位线来完成；利用金属芯中电流产生的环形磁场驱动环状磁性多层膜的比特层磁化状态，驱动磁场空间分布与存储单元的几何形状完全匹配。这些特点使得本发明的基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器避免了由于磁场空间分布不均匀而带来的不利影响，有利于器件工作性能的稳定和器件寿命的延长；同时由于本发明的基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器去除了现有技术中专门用于写操作的一条写字线，大大降低了传统MRAM结构的复杂性、制造工艺的难度及成本，并克服了现有技术中存在的缺点，提高了MRAM的应用价值。
附图说明
图1A是本发明基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器的实施例1的MRAM单元结构示意图；
图1B是本发明基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器的实施例1的MRAM单元剖面结构图；
图2A是基于本发明环状含金属芯磁性多层膜的、利用金属芯中电流产生的磁场驱动方式工作的磁性随机存取存储器实施例2的MRAM单元结构示意图；
图2B是基于本发明环状含金属芯磁性多层膜的、利用金属芯中电流产生的磁场驱动方式工作的磁性随机存取存储器实施例2的MRAM单元剖面结构图；
其中，0晶体管TR、0a晶体管TR的源极、0b晶体管TR的漏极、0c晶体管TR的栅极、1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g为MRAM单元中的各布线层、2字线WL1、3a和3b为接触孔、4a地线GND、4b过渡金属层TM、4c位线BL1、4d位线BL2、4a地线GND、4b过渡金属层TM、5环状磁性多层膜存储单元RML、6金属芯。
图3A是基于本发明环状含金属芯磁性多层膜的、利用金属芯中电流产生的磁场驱动方式工作的磁性随机存取存储器实施例3的MRAM单元结构示意图；
图3B是基于本发明环状含金属芯磁性多层膜的、利用金属芯中电流产生的磁场驱动方式工作的磁性随机存取存储器实施例3的MRAM单元剖面结构图；
其中，0晶体管TR、0a晶体管TR的源极、0b1晶体管TR的第一漏极、0b2晶体管TR的第二漏极、0c晶体管TR的栅极、1a、1b、1c、1d、1e、1f为MRAM单元中的各布线层、2字线WL1、3a、3b、3b1、3b2为接触孔、4a地线GND、4b、4b1、4b2过渡金属层TM、4c位线BL1、5环状磁性多层膜存储单元RML、6金属芯、7字线WL2。
具体实施方式
实施例1、
如图1A、1B所示，磁性随机存取存储器存储单元阵列由大量的MRAM单元组合而成，在一个MRAM单元中，包括一个环状磁性多层膜存储单元RML(5)、晶体管TR(0)、过渡金属层TM(4b)、接触孔(3a、3b)和一组布线，即位线BL1(4c)、字线WL1(2)以及地线GND(4a)。
该环状磁性多层膜存储单元RML(5)中的磁性多层膜的结构为在1mm厚的SiO2/Si衬底上依次沉积的厚度为2nm的下部缓冲导电层Au，厚度为3nm的硬磁层(HFM)Co，厚度为1nm的中间层(I1)Cu，厚度为1nm的软磁层(SFM)Co和厚度为4nm的覆盖层Ru、厚度为2nm的导电层Au，环状结构的制备已于另案申请的专利中详细给出，环的内径为400nm，外径为800nm。
该环状磁性多层膜存储单元RML(5)和晶体管TR(0)通过过渡金属层TM(4b)及接触孔(3b)相互连接。在布局上将位线BL1(1d)布置在环状磁性多层膜存储单元RML(5)的上方并且与环状磁性多层膜存储单元RML(5)直接相连。
如图1B所示，整个MRAM单元由若干层1a、1b、1c、1d、1e构成，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质如SiO2等所掩埋。在MRAM单元中金属布线层仅有两层，即位线BL1(4c)所在层1d和地线GND(4a)与过渡金属层TM(4b)所在层1b，环状磁性多层膜存储单元RML(5)布置在位线BL1(4c)下方并且其上部电极与位线BL1(4c)直接连接；环状磁性多层膜存储单元RML(5)的下部电极通过过渡金属层TM(4b)、接触孔(3b)与晶体管TR(0)的漏极(0b)相连接。
在MRAM的读写操作中，根据背景技术中介绍过的自旋转力矩效应，当位线BL1(4c)中的电流小于一个低临界值IC1(相应电流密度JC1＝102A/cm2，电流＝电流密度×环状磁性多层膜截面积)时，位线BL1(4c)中的电流不会改变环状磁性多层膜存储单元RML(5)的磁化状态，从而实现MRAM的读操作；而当位线BL1(4c)中的电流大于这个低临界值IC1而小于高临界值IC2(相应电流密度JC2＝105A/cm2，电流＝电流密度×环状磁性多层膜截面积)时，位线BL1(4c)中的电流的方向将会决定环状磁性多层膜存储单元RML(5)的比特层(软磁层或自由软磁层)的磁化状态，使得比特层(软磁层或自由软磁层)与被钉扎磁性层(或硬磁层)的磁化状态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反(即磁化强度平行或反平行)，从而获得低电阻和高电阻两种状态(即获得高输出电压和低输出电压两种状态)，也就是通过控制电流的方向就可以实现MRAM的写操作。这就是本实施例的MRAM利用自旋转力矩效应方式的工作原理。
由此，以图1A、1B所示的单元为例，在MRAM的寻址读出操作中，首先由被选择的字线WL1(2)给出一个适当的电平使晶体管TR(0)工作于导通状态，然后由被选择的位线BL1(4c)导出一个量值小于低临界值IC1的读出电流，则读出电流由位线BL1(4c)经由环状磁性多层膜存储单元RML(5)、过渡金属层TM(4b)、接触孔(3b)、晶体管TR(0)的漏极(0b)、晶体管TR(0)的源极(0a)、接触孔(3a)而到达地线GND(4a)，从而获得环状磁性多层膜存储单元RML(5)比特层(软磁层或自由软磁层)当前的磁化状态，即MRAM单元中存储的数据；在MRAM的寻址写入操作中，首先由被选择的字线WL1(2)给出一个适当的电平使晶体管TR(0)工作于导通状态，然后由被选择的位线BL1(4c)导出一个量值大于低临界值IC1而小于高临界值IC2的写入电流，由于自旋转力矩效应的作用，环状磁性多层膜存储单元RML(5)的磁化状态将由写入电流的方向所决定，因此当写入电流由位线BL1(4c)经由环状磁性多层膜存储单元RML(5)、过渡金属层TM(4b)、接触孔(3b)、晶体管TR(0)的漏极(0b)、晶体管TR(0)的源极(0a)、接触孔(3a)到达地线GND(4a)后，环状磁性多层膜存储单元RML(5)的比特层(软磁层或自由软磁层)的磁化状态也随即由写入电流所写入，于是完成了MRAM单元中数据的写入。
实施例2、
如图2A、2B所示，磁性随机存取存储器存储单元阵列由大量的MRAM单元组合而成，在一个MRAM单元中，包括一个环状磁性多层膜存储单元RML(5)、布置在环状磁性多层膜存储单元RML(5)的几何中心的金属芯MC(6)、晶体管TR(0)、过渡金属层TM(4b)、接触孔(3a、3b)和一组布线，即位线BL1(4c)、位线BL2(4d)、字线WL1(2)以及地线GND(4a)。环状磁性多层膜存储单元RML(5)和晶体管TR(0)通过过渡金属层TM(4b)及接触孔(3b)相互连接。在布局上将位线BL2(4d)布置在环状磁性多层膜存储单元RML(5)的上方并且与环状磁性多层膜存储单元RML(5)直接相连，位线BL1(4c)布置在位线BL2(4d)的上方，且与位线BL2(4d)平行，两者之间由绝缘层1e隔离。
该环状磁性多层膜存储单元RML(5)中的磁性多层膜的结构为在1mm厚的SiO2/Si衬底上依次沉积的厚度为2nm的下部缓冲导电层Au，厚度为2nm的反铁磁被钉扎磁性层(或硬磁层)(AFM)PtMn，厚度为2nm的被钉扎磁性层(FM1)Ni79Fe21，厚度为0.8nm的中间层(I2)TiO，厚度为1nm的自由软磁层(FM2)Ni79Fe21和厚度为2nm的覆盖层Au，环的内径为1000nm，外径为2000nm。布置在环状磁性多层膜存储单元RML(5)的几何中心的金属芯MC(6)为直径500nm的Al金属芯，环状含金属芯的磁性多层膜的制备已于另案申请的专利中详细给出。
如图2B所示，整个MRAM单元由若干层1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g构成，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质如SiO2等所掩埋。在MRAM单元中金属布线层仅有三层，即位线BL1(4c)所在层1f、位线BL2(4d)所在层1d和地线GND(4a)与过渡金属层TM(4b)所在层1b，环状磁性多层膜存储单元RML(5)布置在位线BL2(4d)下方并且其上部电极与位线BL2(4d)直接连接；环状磁性多层膜存储单元RML(5)的下部电极通过过渡金属层TM(4b)、接触孔(3b)与晶体管TR(0)的漏极(0b)相连接；布置在环状磁性多层膜存储单元RML(5)的几何中心的金属芯MC(6)与顶部的位线BL1(4c)和底部的过渡金属层TM(4b)直接连接。
由此，以图2A、2B所示的单元为例，在MRAM的寻址读出操作中，首先由被选择的字线WL1(2)给出一个适当的电平使晶体管TR(0)工作于导通状态，然后由被选择的位线BL2(4d)导出一个量值小于低临界值IC1的读出电流(相应电流密度JC1＝102A/cm2，电流＝电流密度×环状磁性多层膜截面积)，则读出电流由位线BL2(4d)经由环状磁性多层膜存储单元RML(5)、过渡金属层TM(4b)、接触孔(3b)、晶体管TR(0)的漏极(0b)、晶体管TR(0)的源极(0a)、接触孔(3a)而到达地线GND(4a)，从而获得环状磁性多层膜存储单元RML(5)比特层(软磁层或自由软磁层)当前的磁化状态，即MRAM单元中存储的数据；在MRAM的寻址写入操作中，首先由被选择的字线WL1(2)给出一个适当的电平使晶体管TR(0)工作于导通状态，然后由被选择的位线BL1(4c)导出一个量值大于低临界值IC1而小于高临界值IC2的写入电流(相应电流密度JC2＝105A/cm2，电流＝电流密度×金属芯截面积)，由于写入电流产生的磁场也呈环状分布，因而可以操控环状磁性多层膜存储单元RML(5)的比特层(软磁层或自由软磁层)的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向，使得比特层(软磁层或自由软磁层)与被钉扎磁性层(或硬磁层)的磁化状态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反(即磁化强度平行或反平行)，从而获得低电阻和高电阻两种状态(即获得高输出电压和低输出电压两种状态)，也就是通过控制电流的方向就可以实现MRAM的写操作。当写入电流由位线BL1(4c)经由金属芯MC(6)、过渡金属层TM(4b)、接触孔(3b)、晶体管TR(0)的漏极(0b)、晶体管TR(0)的源极(0a)、接触孔(3a)到达地线GND(4a)后，环状磁性多层膜存储单元RML(5)的比特层(软磁层或自由软磁层)的磁化状态也随即由写入电流所写入，于是完成了MRAM单元中数据的写入。
实施例3、
如图3A、3B所示，磁性随机存取存储器存储单元阵列由大量的MRAM单元组合而成，在一个MRAM单元中，包括一个环状磁性多层膜存储单元RML(5)、布置在环状磁性多层膜存储单元RML(5)的几何中心的金属芯MC(6)、晶体管TR(0)、过渡金属层TM(4b、4b1、4b2)、接触孔(3a、3b、3b1、3b2)和一组布线，即位线BL1(4c)、字线WL1(2)、字线WL2(7)以及地线GND(4a)。环状磁性多层膜存储单元RML(5)和晶体管TR(0)通过过渡金属层TM(4b)及接触孔(3b)相互连接。在布局上将位线BL1(4c)布置在环状磁性多层膜存储单元RML(5)的上方并且与环状磁性多层膜存储单元RML(5)直接相连。
该环状磁性多层膜存储单元RML(5)中的磁性多层膜的结构为在1mm厚的SiO2/Si衬底上依次沉积的厚度为2nm的下部缓冲导电层Ta，厚度为2nm的反铁磁被钉扎磁性层(或硬磁层)(AFM)IrMn，厚度为2nm的被钉扎磁性层(FM1)CoFeB，厚度为0.8nm的中间层(I2)Al2O3，厚度为1nm的自由软磁层(FM2)CoFeB和厚度为2nm的覆盖层Ta，环的内径为1000nm，外径为2000nm。布置在环状磁性多层膜存储单元RML(5)的几何中心的金属芯MC(6)为直径500nm的Al金属芯，环状含金属芯的磁性多层膜的制备已于另案申请的专利中详细给出。
如图3B所示，整个MRAM单元由若干层1a、1b、1c、1d、1e、1f构成，这些层中的非功能区域由绝缘掩埋介质如SiO2等所掩埋。在MRAM单元中金属布线层仅有三层，即位线BL1(4c)所在层1e、过渡金属层TM(4b)所在层1c和地线GND(4a)与过渡金属层TM(4b1、4b2)所在层1b，环状磁性多层膜存储单元RML(5)布置在位线BL1(4c)下方并且其上部电极与位线BL1(4c)直接连接；环状磁性多层膜存储单元RML(5)的下部电极通过过渡金属层TM(4b)、接触孔(3b)、过渡金属层TM(4b1)、接触孔(3b1)与晶体管TR(0)的第一漏极(0b1)相连接；布置在环状磁性多层膜存储单元RML(5)的几何中心的金属芯MC(6)与顶部的位线BL1(4c)和底部的过渡金属层TM(4b2)直接连接；晶体管TR(0)由两个工作区组成，两个工作区共用同一个源极(0a)，第一工作区和第二工作区的漏极分别为0b1和0b2，两个工作区各自的工作状态分别由布置在栅极上方的字线WL2(7)和WL1(2)所给出的电平来控制。
由此，以图3A、3B所示的单元为例，在MRAM的寻址读出操作中，首先由被选择的字线WL2(7)给出一个适当的电平使晶体管TR(0)的第一工作区工作于导通状态，然后由被选择的位线BL1(4c)导出一个量值小于低临界值IC1的读出电流(相应电流密度JC1＝102A/cm2，电流＝电流密度×环状磁性多层膜截面积)，则读出电流由位线BL1(4c)经由环状磁性多层膜存储单元RML(5)、过渡金属层TM(4b)、接触孔(3b)、过渡金属层TM(4b1)、接触孔(3b1)、晶体管TR(0)的第一漏极(0b1)、晶体管TR(0)的源极(0a)、接触孔(3a)而到达地线GND(4a)，从而获得环状磁性多层膜存储单元RML(5)比特层(软磁层或自由软磁层)当前的磁化状态，即MRAM单元中存储的数据；在MRAM的寻址写入操作中，首先由被选择的字线WL1(2)给出一个适当的电平使晶体管TR(0)的第一工作区工作于导通状态，然后由被选择的位线BL1(4c)导出一个量值大于低临界值IC1而小于高临界值IC2的写入电流(相应电流密度JC2＝105A/cm2，电流＝电流密度×金属芯截面积)，由于写入电流产生的磁场也呈环状分布，因而可以操控环状磁性多层膜存储单元RML(5)的比特层(软磁层或自由软磁层)的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向，使得比特层(软磁层或自由软磁层)与被钉扎磁性层(或硬磁层)的磁化状态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反(即磁化强度平行或反平行)，从而获得低电阻和高电阻两种状态(即获得高输出电压和低输出电压两种状态)，也就是通过控制电流的方向就可以实现MRAM的写操作。当写入电流由位线BL1(4c)经由金属芯MC(6)、过渡金属层TM(4b2)、接触孔(3b2)、晶体管TR(0)的第二漏极(0b2)、晶体管TR(0)的源极(0a)、接触孔(3a)到达地线GND(4a)后，环状磁性多层膜存储单元RML(5)的比特层(软磁层或自由软磁层)的磁化状态也随即由写入电流所写入，于是完成了MRAM单元中数据的写入。
Claims (11)
1、一种基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，其特征在于：使用环状磁性多层膜或环状含金属芯的磁性多层膜作为存储单元。
2、如权利要求1所述的基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，其特征在于：所述的环状磁性多层膜包括常规的磁性多层膜的各层，且该磁性多层膜的横截面呈闭合的圆环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm。
3、如权利要求1所述的基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，其特征在于：所述的环状含金属芯的磁性多层膜包括常规的磁性多层膜的各层，还包括位于该环状多层膜的几何中心位置的一个金属芯，该磁性多层膜的横截面呈闭合的圆环状，该圆环的内径为10～100000nm，外径为20～200000nm，该金属芯的直径为5～50000nm。
4、如权利要求3所述的基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，其特征在于：所述的金属芯的材料为Au、Ag、Pt、Ta、W、Ti、Cu或Al。
5、如权利要求2或3所述的基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，其特征在于：所述的环状磁性多层膜或环状含金属芯的磁性多层膜为无钉扎型的或钉扎型的。
6、一种基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器，包括：
晶体管单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；
环状磁性多层膜存储单元构成的存储单元阵列，其中存储单元的几何结构为如权利要求2所述的环状磁性多层膜；
连接上述晶体管单元和环状磁性多层膜存储单元的过渡金属层；
以及字线和位线，所述的字线同时也是所述的晶体管的栅极，所述的位线布置在所述的环状磁性多层膜存储单元的上方，与所述的字线相互垂直，并且与所述的环状磁性多层膜存储单元直接连接。
7、一种权利要求6所述的基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器的控制方法，其为通过流经存储单元中的电流的大小和方向来实现MRAM的读操作和写操作。
8、如权利要求7所述的基于环状磁性多层膜的磁性随机存取存储器的控制方法，其特征在于：
当环状磁性多层膜存储单元中的电流小于一个特定的低临界值IC1时，其比特层的磁化状态不会受到改变，从而实现MRAM的读操作；所述的低临界值IC1＝电流密度×环状磁性多层膜截面积，电流密度JC1＝10～102A/cm2；
当环状磁性多层膜存储单元中的电流大于这个低临界值IC1并且小于高临界值IC2时，电流的方向将会改变环状磁性多层膜存储单元比特层的磁化状态，通过正向和负向自旋极化隧穿电流，实现其比特层的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向，使得比特层与被钉扎磁性层的磁化状态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反，从而获得低电阻和高电阻两种状态，也就是通过控制电流的方向就可以实现MRAM的写操作；所述的高临界值IC2＝电流密度×环状磁性多层膜截面积，电流密度JC2＝102～106A/cm2。
9、一种基于环状含金属芯的磁性多层膜的磁性随机存取存储器，包括：
晶体管单元构成的存储器读写控制单元阵列，该读写控制单元阵列集成在半导体衬底中；
环状含金属芯的磁性多层膜存储单元构成的存储单元阵列，其中存储单元的几何结构为如权利要求3所述的环状含金属芯磁性多层膜；
连接上述晶体管单元和环状含金属芯的磁性多层膜存储单元的过渡金属层；
以及字线和两条位线，所述的字线同时也是所述的晶体管的栅极，所述的两条位线布置在所述的环状含金属芯的磁性多层膜存储单元的上方，位线与所述的字线相互垂直，并且与所述的环状含金属芯的磁性多层膜存储单元直接连接，位线与所述的环状含金属芯的磁性多层膜存储单元中的金属芯直接相连，并且由一层绝缘层与位线相互隔离。
10、一种权利要求9所述的基于环状含金属芯的磁性多层膜的磁性随机存取存储器的控制方法，其为通过对存储单元中的金属芯施加的电流来实现MRAM的写操作，通过对存储单元中的环状磁性多层膜施加的隧穿电流来实现MRAM的读操作。
11、如权利要求10所述的基于环状含金属芯的磁性多层膜的磁性随机存取存储器的控制方法，其特征在于：
在环状含金属芯的磁性多层膜存储单元的磁性多层膜中施加的电流小于低临界值IC1时，其比特层的磁化状态不会受到改变，从而实现MRAM的读操作；所述的低临界值IC1＝电流密度×环状磁性多层膜截面积，电流密度JC1＝10～102A/cm2；
在环状含金属芯磁性多层膜存储单元中的金属芯中施加电流，当环状含金属芯磁性多层膜存储单元中的金属芯中施加电流大于低临界值IC1并且小于高临界值IC2时，电流的方向将会改变环状磁性多层膜存储单元比特层的磁化状态，通过正向和负向的驱动电流产生顺时针或逆时针方向的磁场，实现其比特层的磁化状态沿顺时针或逆时针方向取向，使得比特层与被钉扎磁性层的磁化状态分别沿顺时针或逆时针方向相同或相反，从而获得低电阻和高电阻两种状态，也就是通过控制电流的方向就可以实现MRAM的写操作；所述的高临界值IC2＝电流密度×金属芯截面积，电流密度JC2＝102～106A/cm2。
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