[发明专利]具有集成的半导体器件的MRAM

说明书

本发明总体上涉及存储器单元，更具体地说，涉及磁随机存取存储器单元(MRAM)。

已经使用各种磁性材料和结构来形成用于非易失性存储单元、传感器、磁盘驱动的读/写磁头，以及其他磁类应用的磁阻材料。一种现有磁阻元件利用具有被导体层隔开的两个磁性层的磁阻材料。两个磁性层的磁化矢量在没有任何磁场下通常彼此反向平行。两层中的一层的磁化矢量指向一个方向，而另一层的磁化矢量总指向相反方向。该磁性材料的磁特性通常要求宽度大于1微米以便保持磁化矢量方向沿着单元的宽度方向。大宽度的要求限制了使用该材料的存储器的密度。另外，读取该存储器状态通常需要两步读操作，导致非常长的读周期。两步读操作还需要额外的电路以确定存储器状态，因而增加了该存储器成本。该磁性材料与存储器的实例公开于1988年10月25日颁发给Daughton等人的美国专利4780848中。

另一种现有材料利用多层巨磁阻材料(GMR)，并且利用亚微米宽度，以便增加密度。在此结构中，两个磁性层同样由一个导体层隔开，并且磁化矢量平行于磁性材料的长度方向。在一个实施例中，一个磁性材料层的磁化矢量总保持一个方向，而第二个磁性材料层的磁化矢量在与第一个磁化矢量平行与反平行之间转换。

在上述两种材料中，具有特定“自旋”(磁化矢量指向一个特定方向)的电子通过两个磁性层和一个导体隔离层的叠层在平面内传导。如果两个磁性层的自旋相同，则电子以低散射移动通过叠层，导致低电阻。如果一个磁性层的自旋与另一个磁性层的相反，则给定自旋的电子不能容易地移动到另一个磁性层。这导致增大电子散射，并因而测得较高电阻。

为确定利用这些材料的存储器单元的逻辑状态，存储器单元具有基准单元和有效单元。基准单元总提供对应一种状态的电压(或者总是“1”或者总是“0”)。基准单元的输出与有效单元的输出进行比较以便确定存储器单元的状态。对有效与基准单元的要求降低了使用该元件的存储器的密度。这类磁性材料和存储器的实例公开于1994年8月30日颁发给Kung等人的美国专利5343422中。

还有另一种现有材料使用亚微米宽的多层磁阻材料，它包括两个磁性层，但替以绝缘隔离层隔开(即公知的隧道结)。在一个实施例中，一个磁性层的磁化矢量总保持一个方向，而第二个磁性层的磁化矢量在与第一个矢量平行与反平行(平行但反向)之间转换。

在此隧道结中，电子具有特定的“自旋”(磁化矢量指向一个特定方向)，从一个磁性层穿过绝缘隔离层到另一个磁性层。如果接收磁性层的自旋与电子的相同，则电子容易穿到磁性层，因而侧得低电阻。如果接收磁性层的自旋与电子的相反，则电子不容易穿到第二磁性层，因而测得高电阻。

为了确定利用该材料的存储器单元的逻辑状态，要检测两种可能状态间的电阻差异。该类磁性材料和存储器的实例公开于1998年3月31日颁发给Zhu等人的美国专利5734605中。

磁随机存取存储器(MRAM)为非易失性存储器，基本上包括这些材料中的一种，以及可以是连接于感应线、字线的三极管或二极管的有源器件。MRAM利用磁阻效应储存存储器状态。当磁场施加于该材料超过一定阈值，一个或所有的该材料磁性层中的磁矢量非常迅速地从一个方向转换到相反方向。根据材料中磁矢量的方向存储状态，例如，一个方向可确定为逻辑值“0”，而另一个方向可确定为逻辑值“1”。该材料保留这些状态甚至不需施加磁场。由于两个磁性状态的电阻之间的差异，在感应线中让电流流过存储单元，该材料的状态即可读出。这种磁性材料和存储器的实例公开于1998年11月17日颁发给Zhu等人的美国专利5838608中。

上述每种存储器单元需要二极管或三极管以控制流过元件的电流。二极管或三极管串联连接于材料，例如，漏极，栅极，源极，磁性层，导体(或绝缘)层和磁性层。用于每一个存储器单元的这种三极管增加存储器成本，并降低了芯片的密度。这种电路布置的实例公开于1998年3月31日颁发给Zhu等人的美国专利5734605中。

此外，在基于导电隔离层的存储元件中，元件电阻主要由导电隔离层的电阻控制，该电阻很小。在绝缘隔离层情况下，元件电阻依指数规律依赖于绝缘隔离层厚度，该厚度较高，且难于一致性和重复性地控制。电阻还反比于磁性单元的尺寸(面积)，为更高的存储器密度而减小存储单元尺寸时电阻增加。

图1为根据本发明的多层磁存储器单元的简化侧视图；

图2为图1所示的多层磁存储器单元的简化分解图；

图3为包括图1的多层磁存储器单元的简化剖视图；

图4示意表示图3中的存储单元的阵列。