[發(fā)明專利]磁阻隧道結(jié)磁性器件及其在磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中的應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200680038128.0
• 申請日: 2006-10-13
• 公開（公告）號: CN101288186A
• 公開（公告）日: 2008-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: B·迪耶尼;A·維耶夫;J·富爾－萬桑;P·瓦蘭;M·雅梅;Y·薩姆森
• 申請（專利權(quán)）人: 原子能源局;國家科學(xué)研究中心
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;G11C11/15;G11C11/16;H01L27/12
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 戈泊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及磁阻隧道結(jié)磁性器件，并涉及到其在磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨機(jī)存取或讀/寫磁性存儲(chǔ)器包含了現(xiàn)存的多種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)，即：

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)，其數(shù)據(jù)密度相對較高，反應(yīng)較快，但是易失性的，即，斷電時(shí)無法保存數(shù)據(jù)；

靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)，其反應(yīng)較快，但占用空間太大且也是易失性的；及

閃存，是非易失性的，數(shù)據(jù)密度較高，但寫入速度緩慢。

磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)首次嘗試用于構(gòu)成適于如在計(jì)算機(jī)中使用的通用存儲(chǔ)器，由于可利用其非易失性的優(yōu)點(diǎn)，使得能夠在關(guān)閉計(jì)算機(jī)時(shí)避免了將軟件和數(shù)據(jù)存入硬盤的過程。

然而，為了滿足對信息存儲(chǔ)、速度、密度、及每比特成本方面日益增高的要求，仍有必要在磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的設(shè)置上有所進(jìn)步。

圖1是單個(gè)磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元的示意圖。這樣的每單個(gè)單元包括由兩個(gè)磁性層3a和3c及隔開3a和3c的中間層3b組成的磁阻隧道結(jié)2。磁性層包括存儲(chǔ)層3a和基準(zhǔn)層3c。中間層3b通常是構(gòu)成隧道勢壘的一層氧化物。

信息以存儲(chǔ)層3a中磁化方向的形式被存儲(chǔ)，當(dāng)基準(zhǔn)層3c和存儲(chǔ)層3a的磁化方向平行時(shí)，存儲(chǔ)單元具有較低的電阻，當(dāng)二者的磁化方向反平行時(shí)，存儲(chǔ)單元具有較高的電阻。

磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器通常通過陣列配置的形式實(shí)現(xiàn)，其中，每單個(gè)單元2位于至少兩條傳導(dǎo)線的交點(diǎn)上，傳導(dǎo)線包括被稱為“位”線的傳導(dǎo)線6和被稱為“字”線的傳導(dǎo)線8。能夠使用一條位線6和一條字線8尋址單個(gè)存儲(chǔ)單元以便讀取它的信息(見圖1)。

圖1所示的配置提供了很多優(yōu)點(diǎn)。然而，必須保證電流不會(huì)從通過與選定的字線和位線交點(diǎn)處選定單元相鄰的單元的多個(gè)可選路徑流過。

為了解決這個(gè)問題，很多建議提出在每個(gè)存儲(chǔ)單元2中插入串聯(lián)的二極管1(見圖2和圖3)。

圖2描述了讀取此種類型的單元2a的例子。箭頭方向表示位線6和字線8的電流傳輸方向，從而尋址到將要讀取的單元2a。

圖3描述了在此種類型的單元2b中寫入“1”，及在同類型的單元2c中寫入“0”的例子。在圖3所示的例子中，兩個(gè)單元2a和2b位于同一字線8上，并與2條不同的位線6對應(yīng)。在圖3中，箭頭表示了位線和字線中的電流方向。可以看出，位線6中的用于在單元2b中寫入“1”和在單元2c中寫入“0”的電流方向是不同的。

圖4和圖5描述了解決上述提到的電流流過多個(gè)可選路徑的問題的另一現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施例。

在圖4和圖5描述的現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施例中，晶體管4與每個(gè)存儲(chǔ)單元2串聯(lián)。專利文獻(xiàn)WO03/04317A2中通過示例描述了此種類型的一個(gè)實(shí)施例。

結(jié)2由此被固定在開關(guān)晶體管4與形成頂部傳導(dǎo)線或者位線的電流饋電線6之間。圖中由箭頭表示并沿箭頭方向傳輸?shù)碾娏鱅1產(chǎn)生了如箭頭表示的第一磁場7。形成底部線或字線的傳導(dǎo)線8與電流饋電線6垂直，通過使電流I2流過其中用于產(chǎn)生第二磁場9。電流I2和電磁場9如圖中箭頭所示。

在“寫入”模式中(見圖4)，晶體管4被設(shè)為阻斷模式，無電流通過晶體管。產(chǎn)生電流脈沖，以在電流饋電線6和傳導(dǎo)線8中流過。結(jié)2由此被施加了兩個(gè)相互垂直的磁場。其中一個(gè)磁場沿著自由層3a的難磁化軸，用于減小其反向磁場，另一個(gè)磁場沿著自由層3a的易磁化軸，用于使其磁化反向，由此寫入存儲(chǔ)點(diǎn)中。

理論上，由于采用單個(gè)磁場時(shí)每個(gè)磁場不足以使得磁化轉(zhuǎn)向，因此只有位于兩條線6和線8交點(diǎn)上的存儲(chǔ)點(diǎn)容易反向。

在“讀取”模式中(見圖5)，通過向晶體管的柵極發(fā)送具有合適幅度的正電流脈沖，將晶體管4置于飽和狀態(tài)(例如，通過晶體管的電流達(dá)到最大值)。由于晶體管被至于飽和狀態(tài)，因此如圖中箭頭所示的傳入到線6中的電流I3全部流經(jīng)存儲(chǔ)點(diǎn)。

電流I3用來測量此存儲(chǔ)點(diǎn)處的結(jié)的電阻。通過與基準(zhǔn)存儲(chǔ)點(diǎn)比較，可以確定存儲(chǔ)點(diǎn)的狀態(tài)(0或1)：并進(jìn)而知曉存儲(chǔ)層3a的磁化方向與基準(zhǔn)層3c的磁化方向是平行的還是反平行的。

以上描述的這些方案因?yàn)樾枰Y(jié)合互補(bǔ)型金屬氧物半導(dǎo)體晶體管(CMOS)技術(shù)(用于制備二極管或晶體管)和磁性技術(shù)(用于單個(gè)存儲(chǔ)單元)，因此表現(xiàn)出一定的技術(shù)復(fù)雜度的缺陷。

而且，這些結(jié)構(gòu)不容易集成多個(gè)層次的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器來構(gòu)成三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

由于所需面積的原因，每個(gè)磁性存儲(chǔ)單元旁邊都包含晶體管(晶體管自身需要三個(gè)電連接)構(gòu)成了限制因素，因此妨礙了實(shí)現(xiàn)高密度。