通過切換電流感應出的磁場來得以增強的stt-mram設計的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開一般涉及磁性隨機存取存儲器(MRAM)設備。更具體而言，本公開涉及用于通過自旋轉移矩切換電流感應出的磁場來得以增強的自旋轉移矩(STT) MRAM設備的設計。
【背景技術】
[0002]與常規(guī)的隨機存取存儲器(RAM)芯片技術不同，在磁性RAM(MRAM)中，數(shù)據(jù)不是作為電荷來存儲的，而是取而代之通過存儲元件的磁極化來存儲的。這些存儲元件是從由隧道層分開的兩個鐵磁層形成的。這兩個鐵磁層中的一個(被稱為固定層或者釘扎層)具有固定在特定方向的磁化。另一鐵磁層(稱為自由層)具有可以被更改的磁化方向，以在自由層磁化與固定層磁化呈反向平行時表示“I”或者在自由層磁化與固定層磁化呈平行時表示“0”，或者反之。具有固定層、隧道層和自由層的一種此類器件是磁性隧道結(MTJ)。MTJ的電阻性取決于自由層磁化和固定層磁化是彼此平行還是彼此反向平行。存儲器設備(諸如MRAM)是從可個體尋址的MTJ的陣列構造的。
[0003]為了將數(shù)據(jù)寫入常規(guī)MRAM，通過MTJ來施加超過臨界切換電流的寫電流。超過臨界切換電流的寫電流足以改變自由層的磁化方向。當寫電流在第一方向上流動時，MTJ可被置于或者保持在第一狀態(tài)，其中其自由層磁化方向和固定層磁化方向在平行取向上對齊。當寫電流在與第一方向相反的第二方向上流動時，MTJ可被置于或者保持在第二狀態(tài)，其中其自由層磁化和固定層磁化呈反向平行取向。
[0004]為了讀取常規(guī)MRAM中的數(shù)據(jù)，讀電流可經(jīng)由用于將數(shù)據(jù)寫入MTJ的相同電流路徑來流經(jīng)該MTJ。如果MTJ的自由層和固定層的磁化彼此平行地取向，則MTJ所呈現(xiàn)的電阻不同于在自由層和固定層的磁化呈反向平行取向的情況下該MTJ所將呈現(xiàn)的電阻。在常規(guī)MRAM中，由MRAM的位單元中的MTJ的兩個不同電阻定義兩種相異的狀態(tài)。這兩個不同的電阻表示由該MTJ存儲的邏輯O值和邏輯I值。
[0005]為了確定常規(guī)MRAM中的數(shù)據(jù)表示邏輯I還是邏輯0，將位單元中的MTJ的電阻與參考電阻進行比較。常規(guī)MRAM電路系統(tǒng)中的參考電阻是具有平行磁性取向的MTJ的電阻與具有反平行磁性取向的MTJ的電阻之間的中點電阻。生成中點參考電阻的一種方式是將已知具有平行磁性取向的MTJ與已知具有反平行磁性取向的MTJ并聯(lián)耦合。
[0006]磁性隨機存取存儲器的位單元可被布置成包括存儲器元件(例如，MRAM情形中的MTJ)模式的一個或多個陣列。STT-MRAM(自旋轉移矩磁性隨機存取存儲器)是新興的非易失性存儲器，其具有以下優(yōu)點:非易失性、與eDRAM(嵌入式動態(tài)隨機存取存儲器)相當?shù)乃俣?、與eSRAM(嵌入式靜態(tài)隨機存取存儲器)相比較小的芯片尺寸、不受限制的耐讀/寫性、以及低陣列漏泄電流。
[0007]概述
[0008]根據(jù)本公開的一方面，一種存儲器單元具有一組磁性隧道結(MTJ)層。該組MTJ層包括固定層、自由層、和位于該固定層與該自由層之間的壁皇層。該存儲器單元還包括耦合到這些MTJ層中的第一 MTJ層的第一電極。該第一電極包括從這些MTJ層橫向延伸出的第一延長部分。該存儲器單元還包括耦合到這些MTJ層中的第二 MTJ層的第二電極。該第二電極包括從這些MTJ層橫向延伸出的第二延長部分。該第一延長部分被配置成將由MTJ切換電流感應出的磁場的第一部分定向成穿過這些MTJ層。該第二延長部被配置成將由該MTJ切換電流感應出的磁場的第二部分定向成穿過這些MTJ層。根據(jù)本公開的各個方面，該磁場的第二部分與該磁場的第一部分相加以增強穿過這些MTJ層的磁場。
[0009]根據(jù)本公開的另一方面，一種構造磁性存儲器單元的方法包括圖案化第一電極。該方法還包括在所述第一電極上制造MTJ以使得所述第一電極具有從所述MTJ橫向延伸出的第一延長部分。該方法進一步包括在所述MTJ上圖案化第二電極以使得所述第二電極具有從所述MTJ橫向延伸出的第二延長部分。該方法還包括將所述第一延長部分和所述第二延長部分配置成將切換電流感應出的磁場的互為加性的部分定向成穿過該MTJ。
[0010]本公開的另一方面包括一種設備，該設備包括用于磁性地存儲電荷的裝置、第一導電裝置和第二導電裝置。用于磁性地存儲電荷的裝置具有一組層，該組層包括固定層、自由層、和在所述固定層和所述自由層之間的壁皇層。該第一導電裝置耦合到該用于磁性地存儲電荷的裝置的該組層中的第一層。第一導電裝置還包括用于定向磁場的第一裝置，其從用于磁性地存儲電荷的裝置橫向延伸出去。用于定向磁場的第一裝置被配置成將由切換電流感應出的磁場的第一部分定向成穿過用于磁性地存儲電荷的裝置。該第二導電裝置耦合到該用于磁性地存儲電荷的裝置的該組層中的第二層。第二導電裝置還包括用于定向磁場的第二裝置，其從用于磁性地存儲電荷的裝置橫向延伸出去。用于定向磁場的第二裝置被配置成將由切換電流感應出的磁場的第二部分定向成穿過用于磁性地存儲電荷的裝置。該磁場的第二部分還與該磁場的第一部分相加以增強穿過用于磁性地存儲電荷的裝置的磁場。
[0011]這已較寬泛地勾勒出本公開的特征和技術優(yōu)勢以便下面的詳細描述可以被更好地理解。本公開的其他特征和優(yōu)點將在下文描述。本領域技術人員應該領會，本公開可容易地被用作修改或設計用于實施與本公開相同的目的的其他結構的基礎。本領域技術人員還應認識到，這樣的等效構造并不脫離所附權利要求中所闡述的本公開的教導。被認為是本公開的特性的新穎特征在其組織和操作方法兩方面連同進一步的目的和優(yōu)點在結合附圖來考慮以下描述時將被更好地理解。然而，要清楚理解的是，提供每一幅附圖均僅用于解說和描述目的，且無意作為對本公開的限定的定義。
[0012]附圖簡述
[0013]為了更全面地理解本公開，現(xiàn)在結合附圖參閱以下描述。
[0014]圖1是常規(guī)STT-MRAM設計的框圖。
[0015]圖2A是根據(jù)本公開一方面的STT-MRAM的框圖。
[0016]圖2B是根據(jù)本公開一方面的STT-MRAM的俯視圖。
[0017]圖3A是根據(jù)本公開一方面的STT-MRAM的框圖。
[0018]圖3B是根據(jù)本公開一方面的STT-MRAM的俯視圖。
[0019]圖4A是根據(jù)本公開一方面的STT-MRAM的框圖。
[0020]圖4B是根據(jù)本公開一方面的STT-MRAM的俯視圖。
[0021]圖5是解說根據(jù)本公開一方面的STT-MRAM設計的切換時間對照切換電流的性能圖表。
[0022]圖6是解說根據(jù)本公開一方面的構造STT-MRAM的方法的工藝流程圖。
[0023]圖7是示出其中可有利地采用本公開的配置的示例性無線通信系統(tǒng)的框圖。
[0024]圖8是解說根據(jù)一種配置的用于半導體組件的電路、布局、以及邏輯設計的設計工作站的框圖。
[0025]詳細描述
[0026]圖1是常規(guī)自旋轉移矩磁性隨機存取存儲器(STT-MRAM) 100的框圖。常規(guī)MRAM結構100包括磁性隧道結(MTJ) 110，該磁性隧道結具110有第一鐵磁層107、第二鐵磁層109、以及耦合于第一鐵磁層107和第二鐵磁層109之間的隧道壁皇層108。頂部電極106耦合到第一鐵磁層107，而底部電極112耦合到第二鐵磁層109。頂部導電層102藉由導電通孔104耦合到頂部電極106。底部導電層116藉由導電通孔114耦合到底部電極112。例如，第一鐵磁層107可以是固定層，而第二鐵磁層109可以是自由層。在另一實現(xiàn)中，第一鐵磁層107可以是自由層而第二鐵磁層109可以是固定層。隧道壁皇層108可以由絕緣材料(諸如舉例而言氧化鎂MgO)制成。
[0027]圖2A是根據(jù)本公開一方面的STT-MRAM 200的框圖。STT-MRAM 200包括MTJ 210，該MTJ 210包括頂部鐵磁層207、底部鐵磁層209、以及耦合于頂部鐵磁層207與底部鐵磁層209之間的隧道壁皇層208。在一個實現(xiàn)中，例如，頂部鐵磁層207可以是自由層而底部鐵磁層209可以是固定層。在另一實現(xiàn)中，頂部鐵磁層207可以是固定層而底部鐵磁層209可以是自由層。隧道壁皇層208可以由絕緣材料(諸如舉例而言MgO)制成。
[0028]頂部鐵磁層207耦合到頂部電極206而底部鐵磁層209耦合到底部電極212。頂部導電層202 (諸如金屬層M5)藉由頂部通孔204耦合到頂部電極206，而底部導電層216 (諸如金屬層M4)藉由底部通孔214 (也被稱為觸點)耦合到底部電極212。
[0029]根據(jù)本公開的一方面，頂部導電層202和底部導電層216相對于MTJ 210橫向偏移。頂部電極206包