改进写入裕度的具有成对不对称存储单元的磁存储阵列制造技术

一种非易失磁性存储器阵列，它采用制作成二种形状的磁性存储器单元。二种类型的单元具有彼此成镜像的形状。二种类型的单元最好安排成交替棋盘图形的阵列，这意味着一种类型的单元被另一类型的邻近单元围绕。由于所有邻近单元的磁化主轴都不同于被选定写入的单元的磁化主轴，故邻近的相邻单元很少有可能也被写入。可以用磁性隧道结（ＭＴＪ）单元或巨磁阻（ＧＭＲ）单元来制作此存储器阵列。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
依据国防预研计划署签订的合同No.MDA972-96-C-0030，美国政府拥有本专利技术的权利。本专利技术一般涉及到磁性器件，更确切地说是涉及到由巨磁阻(GMR)或磁性隧道结(MTJ)磁性存储器单元阵列组成的非易失磁性随机存取存储器(MRAM)。非易失磁性随机存取存储器(MRAM)是制作在字线与读出线交点上的存储器单元组成的阵列，各个存储器单元通常具有二个被导电层或绝缘层分开的磁性层。IBM的美国专利5343422描述了一种MRAM阵列，其中的存储器单元根据巨磁阻(GMR)原理工作，各个单元是包含二个被诸如铜的非磁性金属导电材料薄层分开的铁磁材料薄层构成的“旋转阀”。IBM的美国专利5640343描述了一种由磁性隧道结(MTJ)存储器单元组成的MRAM阵列，其中各个单元包含二个被诸如氧化铝之类的绝缘材料薄层分开的铁磁材料薄层。在GMR型的MRAM阵列中，各个存储器单元即存储元件中的二个铁磁层的易磁化轴的取向基本上沿存储元件的长度方向，且基本上平行于外加读出电流的方向。在MTJ型的MRAM阵列中，读出电流垂直于磁性层的平面。一个铁磁层的磁矩或磁化方向被固定为基本上沿存储元件的长度方向，而另一层的磁化方向在基本上平行或基本上反平行于层中磁化方向的二个数字状态之间自由转换。为了在单个芯片上制造含有数千个或数百万个单元的大的存取可靠的MRAM，各个单元的磁响应特性的均匀性和可预见性是极为重要的。对存储数据的单元进行唯一存取的现有技术的方法涉及到二个写入电流，每个产生低于单元写入所要求的磁激励，但合起来产生大于单元写入所要求的磁激励。然而，由于涉及到制造过程不确定性和磁性材料固有变异的各种因素，各个单元的磁响应之间的变异可能很大。单元之间的这种磁响应变异直接影响到对各个存储数据的单元进行存取所要求的电激励和最终的磁性写入激励，因而妨碍了用最佳的固定的电激励值和最终的磁性写入激励值来获得整个阵列的选择性。解决磁性单元变异问题的现有技术方法是改进制造工艺。由于各个单元的磁响应不仅对局部缺陷灵敏，而且对边沿和表面的粗糙度也灵敏，故这一解决方法一直是一种挑战。我们所需要的是一种各个单元之间即使有磁学性质变异也可以工作的MRAM阵列。本专利技术是一种具有二种类型磁性存储器单元的非易失磁性存储器阵列。各个单元位于各行和各列导电线的交点处，这些导电线用作改变磁性单元磁化状态的写入电流的导电通路。二种单元的形状彼此成镜象，亦即，借助于绕穿过单元的轴旋转第一种单元180度而得到第二种单元的形状。二种单元由于相对于磁化主轴不对称而成为一对不对称的单元。在最佳情况下，各个单元具有平行四边形的形状，有长度和宽度，其磁化主轴基本上沿平行四边形二个锐角之间的连线。二种单元在阵列中最好排列成交替的棋盘图形，这意味着一种单元被邻近的另一种单元围绕。由于所有周围的单元的磁化主轴不同于被选定写入的单元的磁化主轴，故提供了更大的写入裕度。结果，当写入电流通过选定的行和列被引入以便对选定的行和列的交点处的单元的磁化状态进行写入或改变时，邻近的周围单元就基本上很少有可能也被写入。为了更充分地理解本专利技术的性质和优点，可参见结合附图的下列详细描述。附图说明图1A示出了现有技术的MTJ型MRAM阵列，它具有排列在交叉的读出线与字线的相交区域的磁性存储器单元。图1B示出了形成图1A的单个磁性存储器单元的各个示范性层。图2A是理想单畴磁性区的磁响应的“星形”模型，用来对一般直角形磁隧道结单元进行模型化。图2B是单个磁隧道结单元的磁响应范围的星形模型，各个单元具有不可预见的响应，并示出了写入一个单元而不写入邻近的单元所需的写入电流裕度的变窄。图3A和3B分别示出了具有排列在交叉的读出线与字线的相交处的磁性存储器单元的现有技术GMR型MRAM阵列。图4示出了本专利技术的一对不对称平行四边形形状的磁性单元。图5A示出了平行四边形形状的单元，示出了二个自由层反平行磁化方向。图5B示出了图5A的平行四边形单元的磁响应的星形曲线。图6示出了本专利技术的MRAM阵列，示出了排列成棋盘图形的二种平行四边形形状的不对称单元的图形。图7示出了用在图6的MRAM阵列中的图5A的二个平行四边形形状的不对称单元的磁响应的星形曲线。图8示出了本专利技术的MRAM阵列，示出了二种平行四边形形状的不对称单元的交替图形的变通实施例，其中相同种类的单元排列成行。图9示出了单个磁隧道结单元的磁响应的星形模型，MRAM阵列中的A型和B型单元的各个单元具有不可预见的响应，示出了星形曲线覆盖区所提供的额外的写入裕度。图10示出了根据本专利技术的GMR型MRAM阵列的俯视图，此阵列具有排列成棋盘图形并位于交叉的读出线与字线的相交区域处的不对称的磁性存储器单元，其磁化主轴相对于导电线倾斜或成角度。图11示出了本专利技术的GMR MRAM阵列，示出了二种平行四边形形状的交替图形的变通实施例，其中相同种类的单元排列成行，单元的端部覆盖导电线的宽度。图12A-12E示出了可用于根据本专利技术的MRAM阵列中的成对的不对称单元的其它实施例。现有技术MTJ阵列图1A示出了MTJ MRAM阵列的一个例子，其中的MTJ单元位于导电线1-6组成的示范性矩形网格的交点处。MRAM阵列包括一组用作一个水平平面内的平行字线1、2和3的导电线以及用作另一个水平平面内的平行位线或读出线4、5和6的一组导电线。读出线的方向不一样，即与字线成直角，致使从上往下看时，二组线相交。诸如图1B详细示出的典型存储器单元9的存储器单元，位于垂直地夹在字线和读出线之间的交叉区域中的各个交点处。图1A中示出了3个字线和3个读出线，但线的数目通常要大得多。存储器单元9排列成垂直叠层，且除了磁隧道结(MTJ)8之外，可以包括二极管7。在阵列的读出操作过程中，电流沿垂直方向流过单元9。通过存储器单元的这一垂直电流路径使存储器单元能够占据非常小的表面区域。对字线、MTJ、二极管的接触以及对位线的接触都占据同一个区域。虽然在图1A中未示出，但可以在诸如包含其它电路的硅衬底之类的衬底上制作阵列。而且，绝缘材料层通常位于不是交叉区域的MRAM的其它区域处的位线与字线之间。参照图1B更详细地描述一下存储器单元9的结构。存储器单元9制作在字线3上并与字线3接触(图1A)。存储器单元9包含电学串联连接的由例如硅结型二极管7的二极管之类器件和MTJ 8组成的垂直叠层。二极管7是硅结型二极管，它包含n型硅层10和p型硅层11。二极管的p型硅层11经由可能包括诸如氮化钛之类的势垒层的欧姆接触层12，被连接到MTJ 8。这有利于使接触层12和二极管7更薄，从而减小字线与MTJ之间的间距。二极管的n型硅层10被连接到字线3。MTJ 8由一系列彼此层叠的材料层组成。图1B的MTJ 8包含诸如Pt、Pd或Ti之类的模板层15、诸如坡莫合金(Ni-Fe)之类的起始铁磁层16、诸如Mn-Fe之类的反铁磁层(AF)18、诸如Co、Fe或坡莫合金之类的固定或“固定(pinned)”型参考铁磁层20、由氧化铝(Al2O3)组成的薄的绝缘隧道势垒层22、诸如由薄的Co-Fe和坡莫合金组成的夹层之类的软的可改变的“自由”软铁磁层24、以及诸如Pt、Pd、Ti之类的接触层25。自由层24被制造成具有称为易磁化轴(EA)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非易失磁性存储器阵列，它包含： 衬底； 由在衬底上制作成交替图形的二种类型磁性存储器单元组成的阵列，第一类型单元的形状是第二类型单元形状的镜像； 制作在衬底上的多行导电线； 制作在衬底上的多列导电线，各行和各列导电线在存储器单元附近相交。

【技术特征摘要】
US 1998-11-23 09/198,1851.一种非易失磁性存储器阵列，它包含衬底；由在衬底上制作成交替图形的二种类型磁性存储器单元组成的阵列，第一类型单元的形状是第二类型单元形状的镜像；制作在衬底上的多行导电线；制作在衬底上的多列导电线，各行和各列导电线在存储器单元附近相交。2.根据权利要求1的存储器阵列，其中的交替图形是棋盘图形，其第一类型单元的最近的邻近单元都是第二类型单元。3.根据权利要求1的存储器阵列，其中的交替图形在交替的行中具有所有的第一类型单元，而在邻近具有第一类型单元的行的行中具有所有第二类型单元。4.根据权利要求1的存储器阵列，其中第一类型单元的形状通常为平行四边形。5.根据权利要求1的存储器阵列，其中第一类型单元的形状通常为截头平行四边形。6.根据权利要求1的存储器阵列，其中第一类型单元的形状通常为矩形，并以其长度与各行导电线和各列导电线成非直角排列在衬底上。7.根据权利要求1的存储器阵列，其中第一类型单元的形状通常为梯形。8.根据权利要求1的存储器阵列，其中的单元具有长度和宽度，且其中单元长度的端部通常是圆滑曲面。9.根据权利要求1的存储器阵列，其中的存储器单元是巨磁阻存储器单元。10.根据权利要求9的存储器阵列，其中的各行导电线包括巨磁阻存储器单元和将巨磁阻存储器单元互连起来的导电缝合区。11.根据权利要求9的存储器阵列，还包含将巨磁阻存储器单元互连起来的导电的读出线。12.根据权利要求1的存储器阵列，其中的存储器单元是磁隧道结存储器单元。13.根据权利要求12的存储器阵列，其中各个磁隧道结存储器单元包含其磁化沿最佳方向取向，并在存在由流过线的电流引起的外加磁场的情况下基本上防止旋转的固定铁磁层；在存在由同时流过相交于存储器单元处的二个线的电流引起的外加磁场的情况下，其磁化自由旋转的自由铁磁层；以及位于固定的与自由的铁磁层之间的绝缘隧道势垒层。14.一种由磁性隧道结(MTJ)存储器单元组成的非易失磁性存储器阵列，它包含衬底；制作在衬底上的第一组平行导电线；制作在衬底上的第二组平行导电线，它一般垂直于第一组导电线并覆盖第一组导电线，第二组导电线沿一般垂直于衬底表面的方向与第一组导电线分开，以便确定多个交叉区；由在衬底上的交叉区处制作成交替图形的二种类型磁性隧道结单元组成的阵列，当一种类型的单元绕通常平行于一条导电线的轴旋转180度时，第一类型单元具有与第二类型单元完全相同的形状。15.根据权利要求14的存储器阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗格尔希尔森科奇，罗伊埃德温舒尔莱恩，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]