[发明专利]磁阻隧道结磁性器件及其在磁性随机存取存储器中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及磁阻隧道结磁性器件，并涉及到其在磁性随机存取存储器(MRAM)中的应用。

背景技术

随机存取或读/写磁性存储器包含了现存的多种半导体存储器的优点，即：

动态随机存取存储器(DRAM)，其数据密度相对较高，反应较快，但是易失性的，即，断电时无法保存数据；

静态随机存取存储器(SRAM)，其反应较快，但占用空间太大且也是易失性的；及

闪存，是非易失性的，数据密度较高，但写入速度缓慢。

磁性随机存取存储器(MRAM)首次尝试用于构成适于如在计算机中使用的通用存储器，由于可利用其非易失性的优点，使得能够在关闭计算机时避免了将软件和数据存入硬盘的过程。

然而，为了满足对信息存储、速度、密度、及每比特成本方面日益增高的要求，仍有必要在磁性随机存取存储器的设置上有所进步。

图1是单个磁性随机存取存储器单元的示意图。这样的每单个单元包括由两个磁性层3a和3c及隔开3a和3c的中间层3b组成的磁阻隧道结2。磁性层包括存储层3a和基准层3c。中间层3b通常是构成隧道势垒的一层氧化物。

信息以存储层3a中磁化方向的形式被存储，当基准层3c和存储层3a的磁化方向平行时，存储单元具有较低的电阻，当二者的磁化方向反平行时，存储单元具有较高的电阻。

磁性随机存取存储器通常通过阵列配置的形式实现，其中，每单个单元2位于至少两条传导线的交点上，传导线包括被称为“位”线的传导线6和被称为“字”线的传导线8。能够使用一条位线6和一条字线8寻址单个存储单元以便读取它的信息(见图1)。

图1所示的配置提供了很多优点。然而，必须保证电流不会从通过与选定的字线和位线交点处选定单元相邻的单元的多个可选路径流过。

为了解决这个问题，很多建议提出在每个存储单元2中插入串联的二极管1(见图2和图3)。

图2描述了读取此种类型的单元2a的例子。箭头方向表示位线6和字线8的电流传输方向，从而寻址到将要读取的单元2a。

图3描述了在此种类型的单元2b中写入“1”，及在同类型的单元2c中写入“0”的例子。在图3所示的例子中，两个单元2a和2b位于同一字线8上，并与2条不同的位线6对应。在图3中，箭头表示了位线和字线中的电流方向。可以看出，位线6中的用于在单元2b中写入“1”和在单元2c中写入“0”的电流方向是不同的。

图4和图5描述了解决上述提到的电流流过多个可选路径的问题的另一现有技术的实施例。

在图4和图5描述的现有技术的实施例中，晶体管4与每个存储单元2串联。专利文献WO03/04317A2中通过示例描述了此种类型的一个实施例。

结2由此被固定在开关晶体管4与形成顶部传导线或者位线的电流馈电线6之间。图中由箭头表示并沿箭头方向传输的电流I1产生了如箭头表示的第一磁场7。形成底部线或字线的传导线8与电流馈电线6垂直，通过使电流I2流过其中用于产生第二磁场9。电流I2和电磁场9如图中箭头所示。

在“写入”模式中(见图4)，晶体管4被设为阻断模式，无电流通过晶体管。产生电流脉冲，以在电流馈电线6和传导线8中流过。结2由此被施加了两个相互垂直的磁场。其中一个磁场沿着自由层3a的难磁化轴，用于减小其反向磁场，另一个磁场沿着自由层3a的易磁化轴，用于使其磁化反向，由此写入存储点中。

理论上，由于采用单个磁场时每个磁场不足以使得磁化转向，因此只有位于两条线6和线8交点上的存储点容易反向。

在“读取”模式中(见图5)，通过向晶体管的栅极发送具有合适幅度的正电流脉冲，将晶体管4置于饱和状态(例如，通过晶体管的电流达到最大值)。由于晶体管被至于饱和状态，因此如图中箭头所示的传入到线6中的电流I3全部流经存储点。

电流I3用来测量此存储点处的结的电阻。通过与基准存储点比较，可以确定存储点的状态(0或1)：并进而知晓存储层3a的磁化方向与基准层3c的磁化方向是平行的还是反平行的。

以上描述的这些方案因为需要结合互补型金属氧物半导体晶体管(CMOS)技术(用于制备二极管或晶体管)和磁性技术(用于单个存储单元)，因此表现出一定的技术复杂度的缺陷。

而且，这些结构不容易集成多个层次的磁性随机存取存储器来构成三维存储结构。

由于所需面积的原因，每个磁性存储单元旁边都包含晶体管(晶体管自身需要三个电连接)构成了限制因素，因此妨碍了实现高密度。