加熱磁隨機存取存儲單元以易於狀態轉換的製作方法
2023-12-12 11:29:37 4
專利名稱：加熱磁隨機存取存儲單元以易於狀態轉換的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁存儲器件陣列，更具體地說，涉及利用局部加熱所選單元以減少對轉換功率的需求的技術和電路。
背景技術：
高密度、高速度、非易失性、低功率以及低成本是許多存儲設備的共同目標。但在實際中不是所有這些目標都能很現實地達到的，一些折中選擇是不可避免的。特定的應用確定了要做哪些折中。例如，靜態隨機存取存儲器(SRAM)速度很快，但通常以較低的密度作為代價。這種存儲器在CPU高速緩衝存儲器應用中就很有用。動態隨機存取存儲器(DRAM)是高密度，但不是非易失性的。所以DRAM通常用在通用計算機的主存儲器應用中。
較新型的存儲器如磁隨機存儲器(MRAM)本身是非易失性的，但仍然要在密度、存取速度等之間找到折中方案。根據不同的磁現象，例如各向異性磁阻、巨磁阻和隧道磁阻等已開發出三種類型的MRAM。
本文關注的是隧道磁阻型MRAM。磁隧道結(MTJ，有時也稱為自旋相關隧道結，即，SDT結)存儲單元的交叉點陣列允許直接尋址。每個單元以依賴於存儲的數字數據值的電阻的形式出現。
傳統的MTJ存儲單元包括由電絕緣體分隔開的兩個磁性層。絕緣體非常薄，會在其接觸的磁性層之間產生隧道電流。這種隧道電流表現為取決於兩個磁性層的磁化相對取向的電阻。上下磁性層澱積成橢圓形，這樣它們的磁化就會發生在兩個優選方向之一，例如橢圓的縱向。也可使用例如矩形或不對稱形以及具有適當縱橫比(即長度對寬度比)的其它形狀。
下磁性層用高矯頑性材料製造，並在退火處理步驟中將其永久磁化在設置方向上。這一層用作參考層。上磁性層包括低矯頑性材料，其磁化方向由列和行的寫入電流轉換，列和行的寫入電流各自產生寫入磁場，所述各寫入磁場在目標交叉點陣列交叉點處組合。這一層用作數據或存儲層(有時也稱為位層或讀出層)。在其它型式中，數據層和參考層可以用相反的順序澱積。在一種稱為「自旋閥」的存儲單元型式中，通過鄰近反鐵磁層的交互耦合來″銷定″參考層。在這種自旋閥中，被銷定的參考層的磁化取向基本上是固定的。
穿過隧道勢壘的電阻取決於所述數據層和參考層中磁化的相對取向。當這些磁化取向在同一方向時，電阻會有某一數值，而當磁化方向彼此相反時，電阻就會改變。這種電阻改變就是隧道磁阻(TMR)效應，且數據層的狀態可以用測量層上的視在電阻來讀出。通常，當磁化取向平行時，MTJ電阻就低，不平行時就高。
當單元更小時，熱穩定性問題就更為重要。小磁存儲單元的矯頑磁力或轉換磁場必需足夠大，以確保存儲的信息不會因環境影響引起的隨機轉換而丟失。存儲單元變得越小，產生熱穩定的存儲單元所需的矯頑磁力越大。遺憾的是，產生較大場強的必要性使寫入操作時較小存儲單元的轉換更為困難。
眾所周知，提高存儲單元的溫度會降低轉換所需的磁場強度。這是因為磁性材料在所述提高的溫度下具有較高的熱能。而且，當電流通過磁存儲單元時，單元中就會產生熱。但這種產生的熱很容易通過位線和字線傳導到存儲單元之外，不能利用來促進磁存儲單元的轉換。
因此需要有一種磁存儲器件，其中，減小了磁存儲單元的熱損失，因而所述熱量可被利用來促進單元狀態的轉換。
發明內容
簡言之，本發明的磁隨機存儲器(MRAM)實施例包括以不同的阻抗值存儲數據的磁存儲單元陣列。所述MRAM還包括位線和字線的網格，用以在磁存儲單元陣列中選擇性地存取數據。所述網格具有多個熱阻和電阻部分，它們提供對各磁存儲單元的連接。所述各電阻部分增加了對每個存儲單元所產生的熱的熱阻，並且在工作時提供對有源存儲單元的局部加熱，便於單元狀態的轉換。
從以下對本發明實施例的說明中可以更充分的理解本發明。所述說明是參考附圖作出的。
圖1A為按照本發明第一實施例的磁存儲器件的透視圖，其中隔離層在MRAM單元之上；圖1B為按照本發明第一實施例的磁存儲器件的示意的截面圖；圖2為按照本發明第二實施例的磁存儲器件的示意的截面圖，其中隔離層在MRAM單元之下；圖3為按照本發明第三實施例的磁存儲器件的示意的截面圖，其中字線或位線具有減小厚度的部分；以及圖4A為按照本發明第四實施例的磁存儲器件的示意的頂視圖，而圖4B為其示意的截面圖，其中字線或位線具有減小寬度的部分。
具體實施例方式
圖1A和1B示出本發明的磁隨機存取存儲器(MRAM)陣列的實施例，並且在本文中以總標號100代表。MRAM包括磁阻存儲單元102的陣列。這些單元都基於隧道磁阻(TMR)技術，通過介電隧道勢壘的隧道電流受兩個相鄰磁性層的相對取向的影響。每個存儲單元102包括磁參考層104、介質層106和磁數據層108。所述器件還包括導電的字線110、112和位線(以位線114為代表)。為清晰起見，僅示出一條位線。
當數據寫入電流加到位線114上時，磁場就包圍了位線114。這種磁場可以用來轉換磁存儲單元，例如通過將永磁數據層倒轉到反向極化等。因此，可以隨加到位線110上的電流所產生的磁場方向而變地存儲二進位信息。
在此實施例中，在相應的磁存儲單元102和位線114之間的交叉點網格中設置隔離層116。隔離層116包括導電材料並具有凹槽118。凹槽中充填有絕熱材料120，例如SiO2。隔離層形成了熱阻擋層，因為導電材料具有較小的截面積，因此能傳導熱的截面積相對較小。於是，存儲單元所產生的許多熱量就不會散去，這些熱量有利於磁存儲單元102的轉換。隔離層在凹槽處減小的截面積也增加了隔離層的電阻，使它成為電阻加熱器。這種附加的局部熱量進一步便利於磁存儲單元的轉換。
圖1A示意地示出電路單元120，在使用時電路單元120通過位線114產生寫入電流。電路單元120還可以通過字線110和112產生寫入電流。為清晰起見，字線110和112到電路單元120的電連接未示出。每個磁存儲單元可以包括許多附加層，為了簡潔，均未示出。
介質層106足夠薄，使得當在字線110或112和位線114之間施加適當電位時，就會有隧道電流流過介質層106。存儲單元的隧道效應概率及其阻抗取決於數據層108的磁化方向與參考層104的磁化方向的關係。所以，根據取決於存儲單元102的電阻的隧道電流，就可以確定數據層中的磁化取向。
隔離層116是電阻性的，並且在此實施例中由TaN或矽化物組成。一般來說，可用的材料包括非晶材料，例如非晶矽或非晶碳，因為非晶態有較高的熱阻。隔離層116具有蝕刻的凹槽，凹槽周圍為連接到位線(例如位線114)的連接表面。隔離層116可直接接觸位線。或者，隔離層不直接接觸位線，其它材料層將隔離層和位線分隔開。
字線110和112也可以起位線的作用。而且，應當指出，每個磁存儲單元可以包括許多附加層，例如蓋層、反鐵磁性銷定(AF)層和子晶層。此外，應當指出，在所述實施例的不同方案中，隔離層可以設置在存儲單元之上或之下，並且參考層(或數據層)可以處在每個存儲單元的上部或下部。
在所述實施例的具體實例中，隔離層的高度為大約100nm，底面積為大約150×150nm。各個凹槽周圍的各自的連接表面積是底表面積的大約10％到20％。在圖1B中凹槽118延伸到隔離層116的一部分，在其它實施例中，凹槽可以延伸到隔離層的整個厚度。
在所述特定實例中，數據層108由鎳鐵(NiFe)組成，參考層104由鈷鐵(CoFe)組成，介質層106由Al2O3組成。這些層具有大約150nm×150nm的相同平面面積，且參考層104、數據層108和介質層106的厚度分別為大約3.5nm、3nm和1.2nm。在此實例中，隔離層116具有和磁存儲單元102同樣的平面底表面積。或者，隔離層116可以具有比磁存儲單元102大或小的底表面積。而且，隔離層116可以不以磁存儲單元102為中心。
隔離層116的製造如下。首先用已知的澱積和蝕刻加工步驟製造磁存儲單元102。在形成圖案之前，在磁存儲器層上澱積導電材料層(例如摻雜非晶矽)，其厚度為大約100nm。蝕刻存儲單元時使所述導電隔離材料形成圖案，得到具有和存儲單元102同樣尺寸的隔離層116。用諸如SiO2的介質材料覆蓋存儲單元和存儲單元之間的區域，並用化學-機械拋光(CMP)使之平面化。用正抗蝕劑光刻過程來限定各隔離層的凹槽的位置和大小。隨後是各向異性蝕刻過程，形成隔離層的凹槽芯。由於蝕刻過程是各向異性的，因此有可能形成這樣的凹槽，使得每個隔離層的導電部分具有基本上是U形的截面，其中，側邊的厚度越到側邊末端越小。所述過程就可以製造出尺寸在光刻極限值以下的連接表面。然後用絕熱材料例如SiO2充填凹槽，再次化學-機械拋光所述結構，得到平整的表面，而隔離層在凹槽周圍的表面積被暴露出來。這樣，隔離層的中心部分是絕熱材料，而隔離層的周邊部分是導電材料。
用此方法有可能實現具有錐形壁的狹窄導電環的隔離層。也有可能用熱絕緣體充填其中間部分。存儲單元周圍的材料是絕緣介質，幾乎總是熱絕緣的，所以隔離層環的兩側周圍都是熱絕緣的。
圖1A包括數據寫入發生器120，它通過位線114輸出數據寫入電流。所述電路也可通過字線110和112產生電流。字線110和112到數據寫入發生器120的電連接未示出。
雖然在圖1A中未示出，MRAM100通常還包括讀出電路，用於檢測所選存儲單元102的電阻。在讀出操作時，將恆定電壓加到位線114上並由讀出電路檢測。外部電路可提供恆定電源電壓。
也可使用相反的結構。用絕緣的隔離層環圍繞中間的導電錐形或直的中心部分。這種工藝稱為″DRAM隔離層″工藝，用來在製造DRAM時在CMOS電晶體的柵極邊緣形成陡峭的垂直隔離層。這樣，由於降低了柵-源和柵-漏的寄生電容，CMOS電晶體的性能得到顯著改善。
圖2示出包括磁存儲單元202的器件200的一部分。每個磁存儲單元包括參考層204、介質層206和數據層208。磁存儲單元202的結構和組成類似於圖1所示和上述的磁存儲單元102。磁存儲單元202設置在字線210和位線212之間。但在此實施例的不同方案中，字線210也可起位線的作用，而位線212也可起字線的作用。而且，隔離層214可以位於MRAM單元202的下面。
在本實施例中，隔離層214具有狹窄的導電中心部分216，絕緣套218圍繞狹窄的導電中心部分216。狹窄的導電中心部分216的截面積小於MRAM單元的截面積，增加了對各存儲單元產生的熱的熱阻。而且，各隔離層214的相對狹窄的導電中心部分提供了對有源存儲單元的局部加熱，便於單元狀態的轉換。
在本實施例中，隔離層的導電材料是TaN或矽化物。一般來說，可用的材料還包括導電的非晶材料，例如非晶矽或非晶碳，因為非晶態有較高的熱阻。
隔離層116和214可以不直接和位線接觸。例如，可以在隔離層116和位線之間設置另外的材料層。隔離層的高度為大約100nm，底面積為大約150×150nm。這種隔離層的製造如下。
首先，用已知的澱積和蝕刻加工步驟製造磁存儲單元202。在形成圖案之前，在磁存儲器層上澱積厚度為大約100nm的第一絕緣材料層，例如SiO2。在蝕刻存儲單元時使第一絕緣材料形成圖案，得到具有和存儲單元202同樣尺寸的隔離層214。在存儲單元上方和各存儲單元之間的區域充填第二絕緣材料，例如Si3N4，然後通過化學-機械拋光(CMP)使之平面化。利用正抗蝕劑光刻過程限定第一絕緣層中待蝕刻的通路的位置和大小。隨後用各向異性蝕刻過程在MRAM單元上的第一絕緣材料層中形成通路，或空心的空隙。將第三絕緣材料層澱積在所述結構上，為MRAM單元上的每個空心部分的壁和底加襯裡。然後用各向異性幹蝕過程選擇性地蝕刻，穿通絕緣襯的底部，暴露出MRAM單元的頂層。第三絕緣層的澱積和蝕刻可將通路的尺寸減小到低於光刻的極限值。然後用導電材料充填空心部分，並用CMP使之平面化，這樣就形成了隔離層，它包括導電的中心部分，該導電的中心部分被沿周邊的絕緣壁所包圍。導電中心部分的可用材料包括TaN、矽化物或導電的非晶材料(例如非晶矽或非晶碳)，因為非晶狀態具有較高的熱阻。
隔離層214直接和位線接觸。或者，隔離層214和位線之間可以設置其它材料層。
圖3示出MRAM裝置的第三實施例。裝置300包括的組件和上述圖1(a)和(b)所示裝置100相同，但在此實施例中，字線或位線具有與MRAM單元相接觸的較小厚度部分。圖3示出MRAM單元302，線304和306與MRAM單元302相接觸。每個MRAM單元302包括數據層308、介質層310和參考層312。磁存儲單元302的結構和組成類似於上述圖1所示的磁存儲單元102。
每個磁存儲單元可包括許多附加層，例如蓋層、反鐵磁性銷定(AF)層和子晶層，為清晰起見，未予示出。此外，在所述實施例的不同方案中，位線304可起字線作用，而字線306可起位線作用。位線304可設置在存儲單元302之下，而字線306可設置在存儲單元302之上。
位線304的減小的厚度導致電阻和熱阻增加，這減小了有源MRAM單元302所產生的熱量的損失。而且，由於增加了電阻，減小厚度的部分會產生阻性熱，這就更便於單元狀態轉換。在此實施例中，位線304可包括組合材料。例如，減少厚度的部分可由TaN或矽化物或其它電阻性材料組成。連接減小厚度部分的連接部分可由銅或其它高導電率的材料組成。在這種情況下，對電阻性部分材料的選擇可進一步增加減小厚度部分的局部熱阻和電阻。
圖4A和4B示出MRAM裝置的第四實施例。同樣，裝置400包括的組件和上述圖1(a)和(b)所示裝置100相同，但在此實施例中，字線或位線具有與MRAM單元相接觸較小寬度的部分。圖4A和4B示出與位線404及字線406接觸的MRAM單元402。磁存儲單元402的結構和組成類似於上述圖3所示的磁存儲單元302。磁存儲單元402可包括許多附加層，例如蓋層、反鐵磁性銷定(AF)層和子晶層，為清晰起見，未予示出。此外，在所述實施例的不同方案中，位線404可起字線作用，而字線406可起位線作用。位線404也可設置在存儲單元402之下，而字線406可設置在存儲單元402之上。
位線404的減小了的寬度導致電阻和熱阻增加，這減小了有源MRAM單元402所產生的熱量的損失。而且，由於增加了電阻，減小寬度的部分會產生阻性熱，這就更便於單元狀態轉換。和圖3所示實施例中一樣，減小寬度的部分可由TaN或矽化物組成，進一步增加了減小寬度部分的局部熱阻和電阻。
在第三和第四實施例中，位線和字線都由導體例如銅構成，並用標準工藝製造。利用一系列澱積和蝕刻加工步驟形成各電阻性部分。
雖然參考具體實例對本發明作了說明，但本專業的技術人員應當理解，本發明可用許多其它形式來實現。例如，磁存儲單元可以是大(colossal)磁阻存儲單元(CMR)或巨磁阻存儲單元(GMR)。器件100和200可以包括具有排列成任何數量的行與列的任何數量的單元的陣列。另外，應當指出，隔離層不僅可以從上面(如圖1(a)和1(b)所示)或從下面(如圖2所示)連接到磁存儲單元，也可從上和從下同時連接到磁存儲單元。此外，隔離層也可具有不止一個凹槽。
另外，還應當指出，MRAM裝置可具有圖1到4所示的特性組合。例如，MRAM裝置可具有隔離層，而且位線和字線可以具有減小截面積的部分，以增加熱阻和/或電阻。
權利要求
1.一種磁隨機存取存儲器(100，200，300)，它包括磁存儲單元(102，202，302，402)陣列，它們以不同的阻抗值存儲數據；位線和字線(110，112，114，210，212，304，404，406)網格，用於選擇性地存取所述磁存儲單元(102，202，302，402)陣列中的數據；以及多個相應的電阻器(116，214，304，404)，它們各自與所述磁存儲單元(102，202，302，402)以及所述位線和字線(110，112，114，210，212，304，404，406)之一串聯；其中，所述相應的電阻器(116，214，304，404)導致對所述磁存儲單元(102，202，302，402)中選擇的磁存儲單元的局部加熱，這有助於所述磁存儲單元的轉換。
2.如權利要求1所述的磁隨機存取存儲器(100，200，300)，其特徵在於所述多個相應的電阻器(116，214，304，404)是這樣的電阻器，使得導熱通路得以改變，以便減少所述磁存儲單元(102，202，302，402)中所述選擇的磁存儲單元向所述位線和字線(110，112，114，210，212，304，404，406)網格的散熱。
3.如權利要求1所述的磁隨機存取存儲器(100，200，300)，其特徵在於所述多個相應的電阻器(116，214，304，404)是這樣的電阻器，使得導電率得以改變，導致對所述磁存儲單元(102，202，302，402)中所述選擇的磁存儲單元的電阻性加熱。
4.如權利要求1所述的磁隨機存取存儲器(100，200，300)，其特徵在於所述多個相應的電阻器(116，214，304，404)包括多個隔離層(116，214)，每個隔離層(116，214)把一條線連接到所述磁存儲單元(102，202)之一，每個隔離層(116，214)具有連接面，所述連接面的周邊部分是導電的而中心部分是熱絕緣的，以便對來自所述存儲單元(102，202)的熱傳導形成阻擋層，從而便於單元狀態的轉換。
5.如權利要求4所述的磁隨機存取存儲器(100，200)，其特徵在於所述導電的周邊部分的截面積小於所述存儲單元(102，202)的截面積。
6.如權利要求4所述的磁隨機存取存儲器(100，200)，其特徵在於所述導電的周邊部分包括導電材料的狹窄的隆起線，通過所述狹窄的隆起線建立與所述存儲單元(102，202)的電連接。
7.如權利要求1所述的磁隨機存取存儲器(100，200)，其特徵在於所述多個相應的電阻器(116，214)包括多個隔離層(116，214)，每個隔離層(116，214)把一條線(110，112，114，214)連接到所述磁存儲單元(102，202)之一，每個隔離層具有連接面，所述連接面的周邊部分是熱絕緣的而中心部分是導電的，以便對來自所述存儲單元(102，202)的熱傳導形成阻擋層，從而便於單元狀態的轉換。
8.如權利要求1所述的磁隨機存取存儲器(100，200)，其特徵在於所述多個相應的電阻器(116，214)包括多個隔離層，每個隔離層把一條線連接到所述磁存儲單元(102，202)之一，每個隔離層具有由絕熱材料構成的連接面，以便對來自所述存儲單元(102，202)的熱傳導形成阻擋層，從而便於單元狀態的轉換。
9.如權利要求1所述的磁隨機存取存儲器(300)，其特徵在於以所述網格中所述線的截面積減小的區域的形式形成所述相應的電阻器(304，404)。
10.一種製造磁隨機存取存儲器器件(100，200，300)的方法，所述器件包括存儲單元(102，202，302，402)、字線和位線的網格以及將所述字線和位線(110，112，114，210，212，304，404，406)連接到所述存儲單元(102，202，302)中相應的存儲單元的隔離層，所述方法包括以下步驟利用各向異性蝕刻工藝在每個隔離層的連接面蝕刻凹槽，以便留下狹窄的隆起線，通過所述隆起線建立狹窄的連接。
全文摘要
一種製造磁隨機存取存儲器(MRAM)(100，200，300)的方法，此方法可降低MRAM陣列中存儲單元(102，202，302，402)的熱傳導。此方法利用位線和字線(110，112，210，304，404，406)格柵來選擇性地存取磁存儲單元(102，202，302，402)陣列中的數據。所述柵格具有多個熱阻和電阻部分(116，214，304，404)，它們提供對磁存儲單元(102，202，302，402)的連接。電阻性部分(116，214，304，404)增加了對各存儲單元(102，202，302，402)所產生的熱的熱阻且在工作時提供對有源存儲單元(102，202，302，402)的局部加熱，以方便於單元狀態的轉換。
文檔編號H01L43/00GK1612263SQ20041009053
公開日2005年5月4日 申請日期2004年10月29日 優先權日2003年10月31日
發明者H·李, T·C·安東尼, M·沙馬 申請人:惠普開發有限公司