交叉矩陣列式磁性隨機存儲器及其讀寫方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及存儲器件領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種交叉矩陣列式磁性隨機存儲器及其讀寫 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來人們利用磁性隧道結(jié)（MTJ，Ma即etic化nnel化nction)的特性做成磁性 隨機存儲器，即為MRAM(Ma即etic Random Access Memoir)。MRAM是一種新型固態(tài)非易失 性記憶體，它有著高速讀寫的特性。鐵磁性MTJ通常為S明治結(jié)構(gòu)，其中有磁性記憶層，它 可W改變磁化方向W記錄不同的數(shù)據(jù)；位于中間的絕緣的隧道勢壘層；磁性參考層，位于 隧道勢壘層的另一側(cè)，它的磁化方向是不變的。當(dāng)磁性記憶層與磁性參考層之間的磁化強 度矢量方向平行或反平行時，MTJ元件的電阻態(tài)也相應(yīng)分別為低阻態(tài)或高阻態(tài)。運樣測量 MTJ元件的電阻態(tài)即可得到存儲的信息。
[000引 已有一種方法可W得到高的磁電阻（MR，Ma即eto Resistance)率：在非晶結(jié)構(gòu)的 磁性膜的表面加速晶化形成一層晶化加速膜。當(dāng)此層膜形成后，晶化開始從隧道勢壘層一 側(cè)形成，運樣使得隧道勢壘層的表面與磁性表面形成匹配，運樣就可W得到高MR率。
[0004] 一般通過不同的寫操作方法來對MRAM器件進行分類。傳統(tǒng)的MRAM為磁場切換型 MRAM :在兩條交叉的電流線的交匯處產(chǎn)生磁場，可改變MTJ元件的磁性記憶層的磁化強度 方向。自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機存儲器（STT-MRAM，Spin-transfer Torque Ma即etic Random Access Memory)則采用完全不同的寫操作，它利用的是電子的自旋角動量轉(zhuǎn)移，即自旋極 化的電子流把它的角動量轉(zhuǎn)移給磁性記憶層中的磁性材料。磁性記憶層的容量越小，需要 進行寫操作的自旋極化電流也越小。所W運種方法可W同時滿足器件微型化與低電流密 度。STT-MRAM具有高速讀寫、大容量、低功耗的特性，有潛力在電子忍片產(chǎn)業(yè)，尤其是移動忍 片產(chǎn)業(yè)中，替代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體記憶體W實現(xiàn)能源節(jié)約與數(shù)據(jù)的非易失性。
[0005] 對于目前的面內(nèi)型STT-MRAM(其中MTJ元件的易磁化方向在面內(nèi)）來說，受面內(nèi) 型MTJ元件的特性所限，單一元件尺寸一般較大，并且相鄰MTJ元件需要有較大間距，W避 免相互間的磁場干擾。因此，限制了面內(nèi)型STT-MRAM產(chǎn)品集成度的提升。
[0006] 垂直型磁性隧道結(jié)（PMTJ，Pe巧endi州Iar Ma即etic l\mnel Junction)即磁矩垂 直于襯底表面的磁性隧道結(jié)，在運種結(jié)構(gòu)中，由于兩個磁性層的磁晶各向異性比較強（不 考慮形狀各向異性），使得其易磁化方向都垂直于層表面。在同樣的條件下，元件尺寸可W 做得比面內(nèi)型MTJ元件更小，易磁化方向的磁極化誤差可W做的很小，并且MTJ元件尺寸的 減小使所需的切換電流也可相應(yīng)減小。另一方面，在存儲器陣列中，相鄰垂直型MTJ的安 全間距較之面內(nèi)型MTJ也可大為縮小。從而垂直型STT-MRAM(pSTT-MRAM，pe巧endicular Spin-transfer Torque Magnetic Random Access Memory)較之面內(nèi)型 STT-MRAM，其集成 度有非常大的提升空間。
[0007] 但在現(xiàn)有的STT-MRAM結(jié)構(gòu)中，每個記憶單元的MTJ元件通常會連接一個S極管作 為電流流向選擇器，如使用MOS管，通過MOS管的導(dǎo)通和截止W實現(xiàn)電流導(dǎo)向，從而可W通 過相應(yīng)的寫電流來設(shè)置MTJ元件的高、低電阻態(tài)，也即寫入了存儲信息，W及根據(jù)讀電流的 大小來判斷MTJ元件的電阻態(tài)，也即讀出了存儲信息。
[0008] 對于面內(nèi)型STT-MRAM來說，基于面內(nèi)型MTJ元件的尺寸及其相互間距的要求，S 極管的尺寸不是提高面內(nèi)型STT-MRAM集成度的主要瓶頸，或者說縮小=極管的尺寸，對于 面內(nèi)型STT-MRAM集成度的提升程度有限。而對于垂直型STT-MRAM情況卻恰恰相反，垂直 型MTJ元件的尺寸及其相互間距較之面內(nèi)型MTJ元件已大為縮小，此時集成度的提升幾乎 完全取決于=極管的尺寸大小，即使使用當(dāng)前最先進的工藝（線寬），=極管的尺寸仍遠(yuǎn)大 于垂直型MTJ元件，同時S極管制造工藝相對也比較復(fù)雜，提高了產(chǎn)品的制造成本。
[0009] 因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種高集成、高性能、成本節(jié)省的STT-MRAM 產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種交叉矩陣列式磁性隨機存儲器， 其包括若干第一向?qū)Ь€、與所述若干第一向?qū)Ь€間隔且交叉設(shè)置的若干第二向?qū)Ь€，W及 由所述若干第一向?qū)Ь€和所述若干第二向?qū)Ь€相互交叉所限定的若干交叉節(jié)點；每個所述 交叉節(jié)點均設(shè)置有磁記憶單元，所述磁記憶單元分別與其所處交叉節(jié)點處的第一向?qū)Ь€和 第二向?qū)Ь€電連接；所述磁記憶單元包括磁電阻元件，W及與所述磁電阻元件電連接的導(dǎo) 電層1/半導(dǎo)體/導(dǎo)電層2 =層結(jié)構(gòu)；所述磁電阻元件可通過流經(jīng)其中的電流來改變其電阻 態(tài)。本文中的導(dǎo)電層1/半導(dǎo)體/導(dǎo)電層2 S層結(jié)構(gòu)指依次相鄰設(shè)置的導(dǎo)電層1、半導(dǎo)體層、 導(dǎo)電層2,但并不限定導(dǎo)電層1、半導(dǎo)體層或?qū)щ妼?為單層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電層1或?qū)щ妼?也可 W由多層金屬或金屬化合物層疊加形成，半導(dǎo)體層也可W是具有不同滲雜要求（也包括本 征）的多層結(jié)構(gòu)。
[0011] 進一步地，所述磁電阻元件包括面內(nèi)型磁性隧道結(jié)或垂直型磁性隧道結(jié)。
[0012] 通常的面內(nèi)型磁性隧道結(jié)包括：
[0013] 磁性參考層，所述磁性參考層的磁化方向不變且磁各向異性平行于層表面；
[0014] 磁性記憶層，所述磁性記憶層的磁化方向可變且磁各向異性平行于層表面；
[0015] 隧道勢壘層，所述隧道勢壘層位于所述磁性參考層和所述磁性記憶層之間且分別 與所述磁性參考層和所述磁性記憶層相鄰。
[0016] 通常的垂直型磁性隧道結(jié)包括：
[0017] 磁性參考層，所述磁性參考層的磁化方向不變且磁各向異性垂直于層表面；
[0018] 磁性記憶層，所述磁性記憶層的磁化方向可變且磁各向異性垂直于層表面；
[0019] 隧道勢壘層，所述隧道勢壘層位于所述磁性參考層和所述磁性記憶層之間且分別 與所述磁性參考層和所述磁性記憶層相鄰。
[0020] 進一步地，所述導(dǎo)電層1/半導(dǎo)體/導(dǎo)電層2 S層結(jié)構(gòu)由淀積的薄膜所形成。
[0021] 進一步地，所述導(dǎo)電層1/半導(dǎo)體/導(dǎo)電層2 =層結(jié)構(gòu)和所述磁電阻元件的圖案化 使用同一塊掩膜版。
[0022] 進一步地，所述導(dǎo)電層1/半導(dǎo)體/導(dǎo)電層2 S層結(jié)構(gòu)的制備工序在所述磁電阻元 件之前。
[0023] 進一步地，所述導(dǎo)電層1/半導(dǎo)體/導(dǎo)電層2S層結(jié)構(gòu)的制備工序在所述磁電阻元 件之后。
[0024] 進一步地，所述導(dǎo)電層1/半導(dǎo)體/導(dǎo)電層2 S層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體包括P型半導(dǎo)體或 N型半導(dǎo)體，半導(dǎo)體基材可選擇Si、Ge、SiC、GaAs、InP或GaN等，N型滲雜元素可選擇As、 P、Se或Te等V價或VI價元素，P型滲雜元素可選擇Be或B等II價或III價元素。
[00巧]進一步地，所述導(dǎo)電層1/半導(dǎo)體/導(dǎo)電層2 S層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層1和導(dǎo)電層2分別 包括與所述導(dǎo)電層1/半導(dǎo)體/導(dǎo)電層2 S層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體相鄰設(shè)置的擴散保護層，如使用 TiN、TaN、化N等，W阻擋所述P型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體中的雜質(zhì)（滲雜元素）向所述導(dǎo)電 層1和導(dǎo)電層2內(nèi)擴散。
[00%] 進一步地，所述導(dǎo)電層1/半導(dǎo)體/導(dǎo)電層2 S層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層1和/或?qū)щ妼? 包括 Pt、Au、Rd、Ir、Ru、Pd、Ag、Mo、化、W、Ti、化或 CuAl。
[0027] 本發(fā)明還提供了上述磁性隨機存儲器的讀寫方法，其中對于任一交叉節(jié)點的磁記 憶單元采用W下讀寫操作：
[0028] 寫操作：在交叉節(jié)點所對應(yīng)的第一向?qū)Ь€和第二向?qū)Ь€上加載寫電壓，產(chǎn)生的寫 電流流經(jīng)對應(yīng)的磁電阻元件W改變其電阻態(tài)；
[0029] 讀操作：在交叉節(jié)點所對應(yīng)的第一向?qū)Ь€和第二向?qū)Ь€上加載讀電壓，產(chǎn)生讀電 流，所述讀電流不足W改變其所流經(jīng)的磁電阻元件的電阻態(tài)。
[0030] 本發(fā)明的交叉矩陣列式磁性隨機存儲器，利用導(dǎo)電層1/半導(dǎo)體/導(dǎo)電層2 S層結(jié) 構(gòu)替代=極管作為磁記憶單元中的電流流向選擇器，實現(xiàn)了將復(fù)雜的供電網(wǎng)路改用簡單的 交叉式供電方式，從而極大的簡化了 MRAM的生產(chǎn)工藝、降低了成本，并且可W極大地提高 存儲忍片的集成度，特別是對于pSTT-MRAM產(chǎn)品。
[0031] W下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，W 充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0032] 圖1是一種現(xiàn)有的磁記憶單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖2是本發(fā)明的一種交叉矩陣列式磁性隨機存儲器的磁記憶單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖3是導(dǎo)電層1/半導(dǎo)體/導(dǎo)電層2 S層結(jié)構(gòu)伏安特性曲線圖；
[0035] 圖4是將圖2中磁電阻元件設(shè)置為低阻態(tài)的示意圖；
[0036] 圖5是將圖2中磁電阻元件設(shè)置為高阻態(tài)的示意圖；
[0037] 圖6是圖2中磁電阻單元讀操作示意圖；
[0038] 圖7是本發(fā)明的一種交叉矩陣列式磁性隨機存儲器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖8是圖7的交叉矩陣列式磁性隨機存儲器的另一結(jié)構(gòu)示意圖； W40] 圖9是基于本發(fā)明的8類不同的磁記憶單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0041] 在本發(fā)明的實施方式的描述中，需要理解的是，術(shù)語"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、 "右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底""內(nèi)"、"外"、"順時針"、"逆時針"等指示的方位或位置關(guān)系 為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或 暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、W特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為 對本發(fā)明的限制。
[0042] 圖1是一種現(xiàn)有的磁記憶單元的結(jié)構(gòu)示意圖，其中磁記憶單元100包括磁電阻元 件101，W及與其串聯(lián)的MOS管102,通過MOS管102的導(dǎo)通和截止來控制電流流向。本文中 所設(shè)及的磁電阻元件一般包括依次相鄰設(shè)置的磁性參考層、隧道勢壘層和磁性記憶層（即 組成MTJ)，對于上述各層的材料和結(jié)構(gòu)（多層或單層）W及磁電阻元件中除上述S層外的 其余膜層（如有）的設(shè)置，并非本發(fā)明的重點，在此不做限定；可W通過加載相應(yīng)的電流來 改變磁電阻元件的電阻態(tài)。本實施例附圖中的磁電阻元件一般采用=層結(jié)構(gòu)表示，僅是指 示其具有MTJ結(jié)構(gòu)，并不排除磁電阻元件中還有其它膜層的情況。
[0043] 圖2是本發(fā)明的一種交叉矩陣列式磁性隨機存儲器的磁記憶單元的結(jié)構(gòu)示意圖， 其中磁記憶單元200包括磁電阻元件201，W及與其串聯(lián)的導(dǎo)電層1/半導(dǎo)體/導(dǎo)電層2 S 層結(jié)構(gòu)202 (或稱MSM結(jié)構(gòu)202, MSM即金屬/半導(dǎo)體/金屬）。磁電阻元件201包含垂直 型MTJ，具體表示為圖2中磁電阻元件