磁隨機存取存儲器中改進性能的最佳寫入導體布局的制作方法

專利名稱：磁隨機存取存儲器中改進性能的最佳寫入導體布局的制作方法
背景技術：
本發明一般涉及磁隨機存取存儲器(MRAM)中最佳寫入導體布局。更具體地說，本發明涉及一種寫入導體布局，其中，寫入導體的寬度制作得小于數據存儲層的寬度，并且寫入導體的寬度完全包含在數據存儲層的寬度中。
背景技術：
典型的MRAM裝置包括一個存儲單元陣列。字線沿存儲單元的行進行排列，并且位線沿存儲單元的列進行排列。在位于字線和位線的相交處，每個存儲單元存儲作為磁化方向的一位數據。各個存儲單元的磁化方向在任何給定的時間均采取兩種穩定方向的其中之一。這兩種穩定的方向，即平行和反平行，表示邏輯值“1”和“0”。所選存儲單元的磁化方向可以通過向穿過所選存儲單元的字線或位線施加電流來改變。這些電流建立磁場，這些磁場組合時可以將所選存儲單元的磁化方向從平行轉換為反平行，或從反平行轉換為平行。因為字線和位線組合操作來轉換所選存儲單元的磁化方向(即寫入存儲單元)，字線和位線可以統稱為寫線。此外，寫線也可以用來讀取存儲在存儲單元中的邏輯值。


圖1說明簡化的先有技術MRAM陣列100的俯視圖。陣列100包括字線130、位線132以及存儲單元120。存儲單元120位于字線130與位線132的各個相交處。在許多MRAM的設計中，寫線(130，132)均制作成與存儲單元120等寬，如圖中位線132的寬度dx和字線130的寬度dy所示。因此，存儲單元120便具有矩形尺寸dx和dy，這是由寫線(130，132)的寬度所定義的。通常，寫線(130，132)設置為彼此垂直，并且存儲單元120位于寫線(130，132)之間，如圖1b所示。例如，位線132可以位于存儲單元120的上面，而字線130可以位于存儲單元120的下面。
圖2a至2c說明單個存儲單元120中一位數據的存儲情況。在圖2a中，存儲單元120包括活動磁數據膜(active magnetic data film)122和固定磁膜(pinned magnetic film)124，它們被電介質區126分隔。活動磁數據膜122中的磁化方向是非固定的且可以采取兩種穩定方向，如圖中箭頭M1所示。另一方面，固定磁膜124具有固定的磁化方向，如圖中箭頭M2所示。活動磁數據膜122對存儲單元120進行寫操作時施加到寫線(130和132，未示出)上的電流作出反應來改變其磁化方向。如圖2b所示，當M1和M2互相平行時，表示存儲在存儲單元120中的數據位的第一邏輯狀態。例如，當M1和M2平行時，邏輯“1”狀態存儲在存儲單元120中。相反，如圖2c所示，當M1和M2彼此反平行時，表示第二邏輯狀態。同樣，當M1和M2反平行時，邏輯“0”狀態存儲在存儲單元120中。在圖2b和2c中，電介質區126被省略。盡管圖2a至2c說明活動磁數據膜122位于固定磁膜124上面的情況，然而固定磁膜124可以位于活動磁數據膜122的上面。
存儲單元120的電阻根據M1和M2的方向不同而有所不同。當M1和M2反平行時，即邏輯“0”狀態時，存儲單元120的電阻為最高。另一方面，當M1和M2的方向平行時，即邏輯“1”狀態時，存儲單元120的電阻為最小。因此，存儲在存儲單元120中的數據位的邏輯狀態可以通過測量存儲單元120的電阻來確定。存儲單元120的電阻由對施加到寫線(130，132)上的讀出電壓作出反應而流過的感應電流123(參見圖2a)的大小來反映。
在圖3中，存儲單元120位于寫線(130，132)之間。活動磁膜(activemagnetic film)(122)及固定磁膜(pinned magnetic film)(124)在圖3中未示出。活動磁數據膜122的磁化方向對產生磁場HY的電流IX及產生磁場HX的電流IY作出反應而改變。磁場HX和HY組合作用來改變存儲單元120的磁化方向。如圖3所示，寫線(130，132)與存儲單元120等寬(dx和dy)，正如前面在圖1a和1b中所述的那樣。
理論上，兩個寫線(130，132)的寬度(dx和dy)都應該與存儲單元中其相應的寬度(dx和dy)相等。因此，位線132在垂直方向Y上的寬度WCV在寬度上應該等于存儲單元120垂直方向Y上的寬度WDV，如圖4a所示。同樣，字線130在水平方向X上的寬度WCH在寬度上應該等于存儲單元120水平方向X上的寬度WDH，如圖5a所示。
但是，由于寫線(130，132)與陣列100(參見圖1a和1b)的存儲單元120之間未對準，字線130和位線132可能會偏離存儲單元120。這種未對準現象會由用于制作MRAM裝置的光刻(lithographic)處理固有的光刻對準誤差而引起。在圖4b中，位線132偏離存儲單元120的偏移量為δ。同樣，在圖5b中，字線130偏離存儲單元120的偏移量為δ。δ的值將取決于用于制作MRAM裝置的光刻處理。例如，先有技術水平的δ值可能是0.05μm左右。δ的值對于次微米大小的存儲單元可能是相當重要的。
偏移量δ的一個缺點就是在存儲單元120未被寫線(130，132)所覆蓋的那些部分中減少的磁場，所述部分如虛線141和145所示，虛線141和145分別繞行圖4b和5b中存儲單元120未被覆蓋的邊緣。結果，寫線(130，132)的組合磁場就不可能在選擇存儲單元120的寫操作期間將磁化方向M1從平行方向轉換為反平行方向或從反平行方向轉換為平行方向。
偏移量δ的另一個缺點就是寫線(130，132)的一部分位于存儲單元120的寬度之外，分別如圖4b和5b中交叉影線區143和147所示的那樣。因此，由這些部分產生的磁場主要是浪費了，并對改變磁化方向M1沒有幫助。此外，在極端情況下，交叉影線區143和147形成的磁場部分可以干擾鄰近存儲單元(未示出)的未選取的位，從而引起鄰近存儲單元中已寫入信息的數據破壞。
此外，分別產生磁場HY和HX的電流IX和IY的大小不足以來寫入存儲單元120，因為磁場HY和HX的一部分被浪費。在極高密度的MRAM設計中，電流和磁場都是非常寶貴的對象，必須進行各種嘗試來有效地使用寫入電流IX和IY，以便降低功耗，并將磁場HY和HX與活動磁數據膜122有效地耦合。
因此，就需要一種用于MRAM存儲器中載流導體(current carringconductor)的布局結構，它可以消除MRAM存儲單元的數據存儲層和穿過數據存儲層的寫線之間的未對準現象。
還需要包含在數據存儲層的寬度內的寫線，以便寫線產生的磁場不會被浪費并與數據存儲層有效地耦合。
此外，還有需要通過減少在對存儲單元進行寫操作期間改變數據存儲層磁化方向所需的寫入電流大小來降低MRAM存儲單元中的功耗。例如，降低的功率可以引起結合有MRAM存儲器的電子裝置所產生的廢熱。此外，對于便攜式裝置，所希望的就是降低功耗以延長電池使用壽命。
發明概述本發明的寫入導體布局結構滿足了上述的需要。通過將寫線寬度制作得比寫線所穿過的數據存儲層的寬度更窄來處理寫線(即字線或位線)與數據存儲層之間的未對準現象。此外，寫線被適當放置，使其寬度完全包含在數據存儲層的寬度之內。通過變窄的寫線寬度以及包含在數據存儲層寬度之內的寫線位置，與磁場漏泄、浪費的磁場以及磁場與數據存儲層降低的耦合等有關的問題均可以得到解決。另外，變窄的寫線寬度對一定的電流可以產生更大強度的磁場，或者改變數據存儲層磁化方向所需的磁場強度可以通過大小減少的電流來產生，從而降低功耗。
概括地說，本發明具體表現在用于磁存儲單元的寫入導體布局結構，它包括在第一方向上具有第一層寬度以及在第二方向上具有第二層寬度的數據存儲層。數據存儲層位于第一導體和第二導體之間，其中第一導體在第一方向上具有第一寬度，第二導體在第二方向上具有第二寬度。第一和第二導體分別在第一和第二方向穿過數據存儲層。第一導體的第一寬度小于數據存儲層的第一層寬度，并且第一導體的第一寬度被適當放置，使第一層寬度覆蓋第一導體的整個第一寬度。同樣，第二導體的第二寬度小于數據存儲層的第二層寬度，并且第二導體的第二寬度被適當放置，使第二層寬度覆蓋第二導體的整個第二寬度。此外，第一導體、第二導體或者是第一和第二導體兩者的寬度均可以制作得小于其各自的第一和第二層寬度。
在本發明的一個實施例中，第一和第二寬度可以選擇為比其各自的第一和第二層寬度小一個處理對準偏差。處理對準偏差可以基于用于制作MRAM裝置的光刻處理的對準容差。
在發明的另一個實施例中，第一和第二導體其中的任何一個均可以在其相應的層寬度中處于中央位置、在其相應的層寬度中左移或在其相應的層寬度中右移。
在發明的一個實施例中，第一和第二導體均可以為MRAM裝置的字線或位線(寫線)。
在本發明的另一個實施例中，由施加到第一導體上的電流所產生的寫入磁場的第一部分的強度大于第一寬度至少等于第一層寬度時的強度。
在本發明的一個實施例中，由施加到第二導體上的電流所產生的寫入磁場的第二部分的強度大于第二寬度至少等于第二層寬度時的強度。
在本發明的另一個實施例中，第一寬度的位置使寫入磁場的第一部分與數據存儲層耦合，使施加到第一導體上的電流大小小于第一寬度至少等于第一層寬度時的大小。
在本發明的另一個實施例中，第二寬度的位置使寫入磁場的第二部分與數據存儲層耦合，使施加到第二導體上的電流大小小于第二寬度至少等于第二層寬度時的大小。
通過以下結合附圖及本發明原理的示例的詳細說明，本發明的其它方面和其它優點將會變得更加明顯。
附圖概述圖1a和1b是先有技術MRAM陣列的俯視圖和外觀圖。
圖2a至2c是先有技術MRAM存儲單元的外觀圖和側視圖，說明活動(active)和(reference)基準磁膜的磁化方向。
圖3是先有技術存儲單元、其寫線以及由通過寫線的電流所產生的磁場的外觀圖。
圖4a和4b是俯視圖，分別表示垂直方向理想的先有技術寫入導體和存儲單元布局以及未對準的先有技術寫入導體和存儲單元布局。
圖5a和5b是俯視圖，分別表示水平方向理想的先有技術寫入導體和存儲單元布局以及未對準的先有技術寫入導體和存儲單元布局。
圖6和7是根據本發明的寫入導體布局結構的俯視圖。
圖8a至8c是俯視圖，說明根據本發明的居中、左移以及右移的垂直寫入導體布局結構。
圖9a至9c是俯視圖，說明根據本發明的居中、上移以及下移的水平寫入導體布局結構。
圖10a至10c是俯視圖和橫斷面視圖，表示根據本發明的比數據存儲層狹窄的第一和第二導體。
圖11是根據本發明的結合有寫入導體布局結構的MRAM存儲陣列一部分的俯視圖。
圖12是先有技術的電流開關曲線以及本發明的寫入導體布局結構的電流開關曲線，說明根據本發明的由使得寫入導體寬度變窄而引起導體電流減小的情況。
圖13a至13c是根據本發明的分別具有多邊形和彎曲形、并被寫入導體穿過的數據存儲層的俯視圖。
詳細說明在以下詳細說明及多個附圖中，相同的組件用相同的標號來標識。
如用于說明的附圖所示，本發明具體表現為磁存儲單元的寫入導體布局結構。寫入導體布局結構包括具有第一寬度的第一導體和具有第二寬度的第二導體。數據存儲層位于第一和第二導體之間，并且數據存儲層包括在第一方向上的第一層寬度和在第二方向上的第二層寬度。第一和第二導體分別大體上以第一和第二方向穿過數據存儲層。第一導體的第一寬度預選為小于第一層寬度，第一寬度相對第一層寬度放置，使第一層寬度覆蓋整個第一寬度。第二導體的第二寬度預選為小于第二層寬度，第二寬度相對第二層寬度放置，使第二層寬度覆蓋整個第二寬度。
第一和第二寬度分別小于第一和第二層寬度的優點包括以下方面但并不限于這這些方面寫入磁場與數據存儲層之間改進的耦合使寫入磁場不會由于數據存儲層與第一和/或第二導體之間的未對準而造成浪費或減少；第一和/或第二寬度包含在各自的層寬度中，使上述未對準現象得到消除；通過將第一和第二寬度位于其各自的層寬度內，可以減少或消除可能干擾鄰近存儲單元的漏磁場；第一和/或第二導體變窄的寬度對給定的電流可以產生較大強度的磁場；以及第一和/或第二導體變窄的寬度能夠以減小的電流大小來產生改變數據存儲層磁化方向所需的磁場，從而降低功率消耗。
在圖6和圖7中，磁存儲單元的寫入導體布局結構10包括具有第一寬度WC1的第一導體30(參見圖6)以及具有第二寬度WC2的第二導體32(參見圖7)。數據存儲層20設置在第一導體30和第二導體32之間(未示出)，使第一和第二導體(30，32)兩者所產生的寫入磁場(未示出)引起數據存儲層20的活動層磁化方向(未示出)的改變。施加在第一和第二導體(30，32)上的電流在寫入操作中產生寫入磁場。數據存儲層20包括虛線箭頭V所指示的第一方向上的第一層寬度WD1和虛線箭頭H所指示的第二方向上的第二層寬度WD2。第一和第二導體(30，32)分別大體上以第一和第二方向(V，H)穿過數據存儲層20。
第一導體30的第一寬度WC1預選為小于第一層寬度WD1，并且第二導體32的第二寬度WC2預選為小于第二層寬度WD2。第一寬度WC1相對第一層寬度WD1放置，使第一層寬度WD1覆蓋整個第一寬度WC1，如圖6所示。第二寬度WC2相對第二層寬度WD2放置，使第二層寬度WD2覆蓋整個第二寬度WC2，如圖7所示。
為了說明起見，第一導體30位于數據存儲層20的上面(參見圖6)，并且第二導體32位于數據存儲層20的下面(參見圖7)。但是，第一和第二導體(30，32)的位置可以互相調換。另外，為了清楚起見，對第一和第二導體(30，32)相對于數據存儲層20的位置分別在圖6和7中進行說明；但是，穿過數據存儲層20的第一和第二導體(30，32)將在后面結合圖10a至10c進行說明。
盡管圖6和7用垂直方向的第一方向V來說明第一導體30以及用水平方向的第二方向H來說明第二導體32，如果上述垂直和水平方向互相調換，也就是說，第一導體30可以為水平方向而第二導體32可以為垂直方向，本發明的寫入導體布局結構的上述優點也依然適用。此外，本發明的寫入導體布局結構10沒有被限制在水平和垂直的導體方向，而不同于水平和垂直方向的其它方向也包含在本發明的原理中。
數據存儲層20可以是一種磁電裝置，它包括自旋相關隧道裝置(spin dependent tunneling device)、自旋閥裝置(spin valve device)以及大磁阻裝置(giant magnetoresistive device)，但它并不限于這些裝置。盡管此處所示的數據存儲層20為矩形形狀，但它也可為其它形狀，包括矩形、彎曲形以及多邊形，但它并不限于這些形狀。
圖13a和13b分別說明多邊形數據存儲層21和彎曲形數據存儲層22。應當指出，在圖13a和13b中，第一和第二導體(30，32)分別以第一和第二方向(V，H)穿過其各自的數據存儲層，并且第一層寬度WD1和第二層寬度WD2分別是在第一和第二方向(V，H)上的數據存儲層的最大寬度。例如，在圖13a中，第一層寬度WD1是在第一方向V上的數據存儲層21的最大寬度，并且第一寬度WC1相對第一層寬度WD1放置，使第一層寬度WD1覆蓋整個第一寬度WC1。同樣，第二層寬度WD2是在第二方向H上的數據存儲層21的最大寬度，并且第二寬度WC2相對第二層寬度WD2放置，使第二層寬度WD2覆蓋整個第二寬度WC2。
在本發明的一個實施例中，如圖8a至8c所示，第一導體30的第一寬度WC1預選為比第一方向V上的數據存儲層20的第一層寬度WD1小第一處理對準偏差Δ1。第一處理對準偏差Δ1可以是某個值，該值由用于制作含有寫入導體布局結構10的MRAM裝置的光刻處理的對準容差來確定。例如，如果對準容差為0.05μm，則第一寬度WC1可以比第一層寬度WD1小Δ1＝0.05μm，或者小Δ1的某個分數值或百分比。例如，如果Δ1＝0.05μm，則第一寬度WC1可以比第一層寬度WD1小Δ1的80％(0.8*0.05μm＝0.04μm)；因此，第一寬度WC1的寬度比第一層寬度WD1小0.04μm。另一方面，如果Δ1＝0.05μm，則第一寬度WC1可以比第一層寬度WD1小Δ1的11/4(即1.25)(1.25*0.05μm＝0.06275μm)；因此，第一寬度WC1的寬度比第一層寬度WD1小0.06275μm。在上述的任何一種情況下，第一寬度WC1比第一層寬度WD1要窄，并且第一層寬度WD1完全覆蓋第一寬度WC1。上述示例也適用于Δ2、第二層寬度WD2以及第二寬度WC2。
第一寬度WC1可以在第一層寬度WD1中具有大體居中的位置，如圖8a所示。在圖8a中，第一導體30位于第一層寬度WD1中，第一導體30相對的兩條邊33與第一層寬度WD1相對的兩條邊的距離分別為第一處理對準偏差Δ1÷2，使第一寬度WC1在第一層寬度WD1中具有大體居中的位置，并且第一層寬度WD1覆蓋整個第一寬度WC1。在圖8b中，第一寬度WC1在第一層寬度WD1中的位置左移了等于第一處理對準偏差Δ1的距離；但是，第一層寬度WD1覆蓋整個第一寬度WC1。同樣，在圖8c中，第一寬度WC1在第一層寬度WD1中的位置右移了等于第一處理對準偏差Δ1的距離；但是，第一層寬度WD1覆蓋整個第一寬度WC1。第一寬度WC1可以左移或右移第一處理對準偏差Δ1的某個分數值或百分比。
在本發明的另一個實施例中，如圖9a至9c所示，第二導體32的第二寬度WC2。預選為比第二方向H上的數據存儲層20的第二層寬度WD2小第二處理對準偏差Δ2。第二處理對準偏差Δ2可以是某個值，該值由用于制作含有寫入導體布局結構10的MRAM裝置的光刻處理的對準容差來確定。例如，如果對準容差為0.07μm，則第二寬度WC2可以比第二層寬度WD2小Δ2＝0.07μm，或者小Δ2的某個分數值或百分比。第二寬度WC2可以在第二層寬度WD2中具有大體居中的位置，如圖9a所示。在圖9a中，第二導體32位于第二層寬度WD2中，第二導體32相對的兩條邊35與第二層寬度WD2相對的兩條邊的距離分別為第二處理對準偏差Δ2÷2，使第二寬度WC2在第二層寬度WD2中具有大體居中的位置，并且第二層寬度WD2覆蓋整個第二寬度WC2。在圖9b中，第二寬度WC2在第二層寬度WD2中的位置左移了(此處表示為上移)等于第二處理對準偏差Δ2的距離；但是，第二層寬度WD2覆蓋整個第二寬度WC2。同樣，在圖9c中，第二寬度WC2在第二層寬度WD2中的位置右移了(此處表示為下移)等于第二處理對準偏差Δ2的距離；但是，第二層寬度WD2覆蓋整個第二寬度WC2。第二寬度WC2可以左移或右移第二處理對準偏差Δ2的某個分數值或百分比。
在本發明的一個實施例中，第一處理對準偏差Δ1和第二處理對準偏差Δ2的范圍約為0.01μm至0.08μm。在本發明的另一個實施例中，第一處理對準偏差Δ1和第二處理對準偏差Δ2彼此相等(Δ1＝Δ2)。
另一方面，第一處理對準偏差Δ1和第二處理對準偏差Δ2不需要根據光刻處理的對準容差來確定。第一處理對準偏差Δ1和第二處理對準偏差Δ2可以分別是基于第一方向V上的第一層寬度WD1和第二方向H上的第二層寬度WD2的預定值。
在本發明的一個實施例中，如圖10a所示，第一導體30位于數據存儲層20之上，而第二導體32位于數據存儲層20之下。第一方向V和第二方向H可以大體上彼此垂直，使第一導體30和第二導體32大體上相互垂直地穿過數據存儲層20。此外，如上所述，第一導體30的第一寬度WC1可以在第一層寬度WD1中以C為中心、左移L或右移R，第二導體32的第二寬度WC2可以在第二層寬度WD2中以C為中心、左移U或右移D。
在本發明的另一個實施例中，第一方向V或第二方向H與數據存儲層20的易磁化軸E(即長軸)是共線的。在圖10a中，第二方向H與數據存儲層20的易磁化軸E是共線的。
盡管第一和第二導體(30，32)是作為導體的分離部分來進行說明的，但是MRAM陣列常常包括附加的數據存儲層20，并且第一和第二導體(30，32)沿第一方向V和第二方向H延伸，穿過那些附加的數據存儲層20，這將在下面結合圖11來進行說明。
圖10b是圖10a中寫入導體布局結構10在第一方向V上的橫斷面視圖，對位于數據存儲層20的第一層寬度WD1中并被其完全覆蓋的第一寬度WC1進行說明。圖10c是圖10a中寫入導體布局結構10在第二方向H上的橫斷面視圖，對位于數據存儲層20的第二層寬度WD2中并被其完全覆蓋的第二寬度WC2進行說明。
為清楚起見，圖10b和10c還對數據存儲層20在第一方向V具有第一層寬度WD1并在第二方向H具有第二層寬度WD2的意義進行了說明。圖10b中，第一方向V用+(十字)來表示。+表示進入頁面的第一方向V。因此，第一層寬度WD1按第一方向V來測量，它與第一方向V垂直(參見圖10a)，如圖13b的橫斷面視圖所示。此外，第一導體30的第一寬度WC1被第一層寬度WD1完全覆蓋，并且第一導體30以第一方向V穿過數據存儲層20(參見圖10a)。
同樣，圖1Oc中，第二方向H用·(點)來表示。·表示出離頁面的第二方向H。因此，第二層寬度WD2按第二方向H來測量，它與第二方向H垂直(參見圖10a)，如圖13c的橫斷面視圖所示。此外，第二導體32的第二寬度WC2被第二層寬度WD2完全覆蓋，并且第二導體32以第二方向H穿過數據存儲層20(參見圖10a)。
在本發明的一個實施例中，也象圖8a至8c已說明的一樣，寫入導體布局結構10包括具有第一寬度WC1的第一導體30以及具有大體上等于第二層寬度WD2的第二寬度WC2(WC2＝WD2)的第二導體32(未示出)。第一和第二導體(30，32)分別大體上以第一和第二方向(V，H)穿過數據存儲層20，并且數據存儲層20設置在第一和第二導體(30，32)之間。第一導體30的第一寬度WC1預選為小于數據存儲層20的第一層寬度WD1，并且第一寬度WC1相對第一層寬度WD1放置，使第一層寬度WD1覆蓋整個第一寬度WC1。
如上所述，第一導體30的第一寬度WC1可以預選為比第一方向V上的數據存儲層20的第一層寬度WD1小第一處理對準偏差Δ1。第一處理對準偏差Δ1的范圍可以約為0 01μm至0.08μm。第一寬度WC1在第一層寬度WD1中的位置可以是大體居中、左移以及右移(參見圖8a、8b以及8c)。
在本發明的另一個實施例中，第一導體30可以是磁存儲單元的載流位線或載流字線。如果第一導體30是位線，則第二導體32可以是字線，反之亦然。盡管圖8a至8c對在第一方向V具有垂直方向的第一導體30以及在第二方向H具有水平方向的第二導體32(未示出)進行了說明，但是，第一導體30可以為水平方向，而第二導體32可以為垂直方向。
數據存儲層20適合于存儲作為磁化方向的一位數據。該位的邏輯值(即邏輯“0”或邏輯“1”)是通過將磁化方向從一個穩定狀態改變為另一個穩定狀態來寫入的。磁化方向對施加到穿過數據存儲層20的第一和第二導體(30，32)上的電流所產生的寫入磁場作出反應而改變。第一導體30對施加到第一導體30上的電流作出反應而產生寫入磁場的第一部分。同樣，第二導體32對施加到第二導體32上的電流作出反應而產生寫入磁場的第二部分。寫入磁場的第一和第二部分結合操作來改變磁化方向。
在圖11中，多個數據存儲層20被許多第一和第二導體(30，32)穿過而形成MRAM陣列50。具體地說，數據存儲層20S已被選擇用于寫入操作，其中，它的磁化方向將會被寫入磁場的第一部分HX和寫入磁場的第二部分HY所改變。寫入磁場的第一部分HX是由施加到穿過數據存儲層20S的第一導體30上的電流IY而產生的，寫入磁場的第二部分HY是由施加到穿過數據存儲層20S的第二導體32上的電流IX而產生的。寫入磁場的第一和第二部分(HX，HY)的矢量由右手法則來確定。電流IY和IX可由陣列50外部的與第一和第二導體(30，32)有電氣通信的電子電路來提供。盡管寫入磁場的第一和第二部分(HX，HY)是沿第一和第二導體(30，32)的整個長度而產生的，但在第一和第二導體(30，32)與數據存儲層20S的相交處寫入磁場第一和第二部分(HX，HY)的組合效果才會可操作改變數據存儲層20S的磁化方向。
在本發明的一個實施例中，只有第一導體30的第一寬度WC1預選為小于第一方向V上的數據存儲層20S的第一層寬度WD1，而且第二導體32的第二寬度WC2則至少與第二方向H上的第二層寬度WD2一樣寬。如上所述，第一寬度WC1被適當放置，使其在第一層寬度WD1之內，而且第一層寬度WD1覆蓋整個第一寬度WC1。第一寬度WC1的位置使寫入磁場的第一部分HX與數據存儲層20S藕合。施加到第一導體30的電流IY的大小可以小于第一寬度WC1至少等于第一層寬度WD1(WC1＝WD1)時的大小。大體上來說，對于相同的施加電流IY，將第一寬度WC1變窄會使寫入磁場的第一部分HX大小變大，并且HX的大小超過改變磁化方向所需的最小磁場強度。因此，IY可以被減少，HX的強度將足以改變磁化方向。因為IY被減少，所以對數據存儲層20S進行寫入操作所消耗的功率也會降低。功耗的降低也適用于陣列50中被選擇用于寫操作的其它數據存儲層。如上所述，在要節約電池電源的移動應用中和在要減少廢熱的應用中，降低的功耗是合乎需要的。
在本發明的另一個實施例中，當第二導體32的第二寬度WC2預選為小于第二方向H上的數據存儲層20S的第二層寬度WD2(即第一和第二導體30、32均變窄)時，可以實現功耗的進一步降低。第二寬度WC2被適當放置，使其在第二層寬度WD2之內，并且第二層寬度WD2覆蓋整個第二寬度WC2。第二寬度WC2的位置使寫入磁場的第二部分HY與數據存儲層20S耦合。由于與上述第一導體30相同的原因，施加到第二導體32的電流IX的大小可以小于第二寬度WC2至少等于第二層寬度WD2(WC2＝WD2)時的大小。功耗的進一步降低也適用于陣列50中被選擇用于寫操作的其它數據存儲層20。
圖12是先有技術磁存儲單元布局的電流開關曲線SC1的曲線圖，正如前面結合圖4b和5b所進行的說明那樣，其中，字線寬度Wc和位線寬度Wb相等(Wc＝Wb)。字線WC和位線Wb均穿過磁存儲單元。此外，字線WC偏移磁存儲單元0.05μm來模擬存儲單元電流開關特性上導體未對準的效果。這個偏移量在圖4b和5b中表示為δ。開關曲線SC1表示曲線圖的Y軸上位線電流IX的大小值以及曲線圖的X軸上字線電流IY的大小值，這些值均足以改變磁化方向M1以便在對存儲單元的寫入操作中寫入一位。位線電流IX產生磁場HY，字線電流IY產生磁場HX。對于開關曲線SC1上的點1，約為1.75 mA的位線電流IX和約為3.60mA的字線電流IY是改變磁化方向所必需的。
圖12還說明了本發明的磁存儲單元布局10的電流開關曲線SC2的曲線圖。對于開關曲線SC2，位線的寬度與位線穿過數據存儲層的方向上的數據存儲層的寬度(未示出)相同。但是，字線的寬度比字線穿過數據存儲層的方向上的數據存儲層的寬度小0.05μm。此外，字線被居中位于數據存儲層的寬度之內，并且數據存儲層覆蓋整個字線寬度(參見圖9a)。因此，對于開關曲線SC2上的點2，約為1.75mA的位線電流IX和約為3.00mA的字線電流IY是改變磁化方向所必需的。因此，對于同樣的位線電流IX＝1.75mA，本發明的磁存儲單元布局10需要比先有技術磁存儲單元布局少大約20％的字線電流IY(即3.00mA與3.60相比)。結果就是本發明的磁存儲單元布局10的功耗降低。此外，通過將字線變窄而得到的改進也同樣可以用于位線，從而使功耗更為降低。
在本發明的一個實施例中，只有第一導體30的第一寬度WC1預選為小于第一方向V上的數據存儲層20的第一層寬度WD1。第二導體32的第二寬度WC2至少與第二方向H上的第二層寬度WD2一樣寬。第一寬度WC1被適當放置，使其在第一層寬度WD1之內，而且第一層寬度WD1覆蓋整個第一寬度WC1。第一寬度WC1的位置使寫入磁場的第一部分HX與數據存儲層20S耦合。施加到第一導體30的電流IY使寫入磁場的第一部分HX的強度比第一寬度WC1至少等于第一層寬度WD1(WC1＝WD1)時的強度要大。大體上來說，對于相同的施加電流IY，將第一寬度WC1變窄會使寫入磁場的第一部分HX的強度變大。因此，改變數據存儲層的磁化方向所需的寫入磁場的強度由于寫入磁場的第一部分HX的作用而增加。
在本發明的另一個實施例中，當第二導體32的第二寬度WC2預選為小于在第二方向H上的數據存儲層20的第二層寬度WD2時，寫入磁場的強度被進一步增加。第二寬度WC2被適當放置，使其在第二層寬度WD2之內，并且第二層寬度WD2覆蓋整個第二寬度WC2。第二寬度WC2的位置使寫入磁場的第二部分HY與數據存儲層20S耦合。由于與上述第一導體30相同的原因，施加到第二導體32的電流IX使寫入磁場的第二部分HY的強度比第二寬度WC2至少等于第二層寬度WD2(WC2＝WD2)時的強度要大。
在上述實施例中，第一導體30的第一寬度WC1可以預選為比第一方向V上的數據存儲層20的第一層寬度WD1小第一處理對準偏差Δ1。此外，第二導體32的第二寬度WC2預選為比第二方向H上的數據存儲層20的第二層寬度WD2小第二處理對準偏差Δ2。第一和第二處理對準偏差Δ1和Δ2的范圍可以是約0.01μm至約0.08μm。
對于這里說明的實施例，數據存儲層20的結構和材料可以被本發明相關領域的技術人員很好地理解。但是，用于數據存儲層20的活動層(能夠自由改變其磁化方向)和基準層(磁化方向被固定且不能自由改變)的合適材料包括鎳鐵(NiFe)、鈷(Co)、Fe3O4、CrO2、合金或包括這些材料的組合物、鐵磁材料以及亞鐵磁材料的一些層。活動層和基準層可以由包括氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、二氧化硅(SiO2)以及氮化硅(Si3N4)等電介質材料組成的一層或多層所隔離。第一和第二導體(30，32)可以用例如銅或鋁之類的電導體材料來制成。
本發明的寫入導體布局結構10已關于它與磁存儲單元的使用進行了討論；但是，本發明的原理并不限于MRAM。寫入導體布局結構10還適用于工作中產生局部磁場來轉換磁性材料中磁化方向的載流導體。
盡管已經公開并說明了本發明的幾個實施例，但本發明并不限于所述及所示部分的特定形式或配置。本發明僅受權利要求書的限制。
權利要求
1.一種用于磁存儲單元的寫入導體布局結構10，它包括具有第一寬度WC1的第一導體30；具有第二寬度WC2的第二導體32；以及數據存儲層20，它設置在所述第一和第二導體(30，32)之間，并具有第一方向V上的第一層寬度WD1和第二方向H上的第二層寬度WD2，所述第一和第二導體(30，32)分別大體上以所述第一和第二方向(V，H)穿過所述數據存儲層20，所述第一寬度WC1預選為小于所述第一層寬度WD1，所述第二寬度WC2預選為小于所述第二層寬度WD2，其中，所述第一寬度WC1相對所述第一層寬度WD1放置，使所述第一層寬度WD1覆蓋整個所述第一寬度WC1，以及所述第二寬度WC2相對所述第二層寬度WD2放置，使所述第二層寬度WD2覆蓋整個所述第二寬度WC2。
2.根據權利要求1的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第一寬度WC1基于第一處理對準偏差Δ1預選為小于所述第一層寬度WD1，并且所述第二寬度WC2基于第二處理對準偏差Δ2預選為小于所述第二層寬度WD2。
3.根據權利要求2的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第一處理對準偏差Δ1和所述第二處理對準偏差Δ2的范圍是約0.01微米至約0.08微米。
4.根據權利要求2的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第一處理對準偏差Δ1和所述第二處理對準偏差Δ2彼此相等。
5.根據權利要求2的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第一和第二處理對準偏差(Δ1，Δ2)由光刻處理(lithographic process)的對準容差來確定。
6.根據權利要求1的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第一和第二方向(V，H)大體上相互垂直，使所述第一導體30和所述第二導體32大體上相互垂直地穿過所述數據存儲層20。
7.根據權利要求1的寫入導體布局結構10，其特征在于所選的所述第一方向V或所述第二方向H與所述存儲層20的易磁化軸E是共線的。
8.一種用于磁存儲單元的寫入導體布局結構10，它包括具有第一寬度WC1的第一導體30；具有第二寬度WC2的第二導體32；以及數據存儲層20，它設置在所述第一和第二導體(30，32)之間，并在第一方向V上具有第一層寬度WD1以及在第二方向H上具有第二層寬度WD2，所述第一和第二導體(30，32)分別大體上以所述第一和第二方向(V，H)穿過所述數據存儲層20，所述第一寬度WC1預選為小于所述第一層寬度WD1，所述第二寬度WC2大體上等于所述第二層寬度WD2，以及其中，所述第一寬度WC1相對所述第一層寬度WD1放置，使所述第一層寬度WD1覆蓋整個所述第一寬度WC1。
9.根據權利要求8的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第一寬度WC1基于第一處理對準偏差Δ1被預選為小于所述第一層寬度WD1。
10.根據權利要求9的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第一處理對準偏差Δ1的范圍約為0.01微米至約0.08微米。
11.根據權利要求8的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第一導體30是從字線和位線組成的組中所選擇的載流線。
12.一種用于低功率磁存儲單元的寫入導體布局結構10，它包括數據存儲層20，它在第一方向V上具有第一層寬度WD1以及在第二方向H上具有第二層寬度WD2；第一導體30，用于對施加到所述第一導體30上的電流IY作出反應來產生寫入磁場的第一部分HX，所述第一導體30具有第一寬度WC1，WC1預選為小于所述第一層寬度WD1并相對所述第一層寬度WD1放置，使所述第一層寬度WD1覆蓋整個所述第一寬度WC1；以及第二導體32，用于對施加到所述第二導體32上的電流IX作出反應來產生寫入磁場的第二部分HY，所述第二導體32具有至少等于所述第二層寬度WD2的第二寬度WC2，所述數據存儲層20設置在所述第一和第二導體(30，32)之間，并且所述第一和第二導體(30，32)分別大體上以所述第一和第二方向(V，H)穿過所述數據存儲層20，所述數據存儲層20適用于存儲作為所述磁化方向的一位數據，并對所述寫入磁場的所述第一和第二部分(HX，HY)作出反應來改變所述磁化方向，以及其中，所述第一寬度WC1的所述位置使所述寫入磁場的所述第一部分HX與所述數據存儲層20耦合，使施加到所述第一導體30的所述電流IY的大小小于所述第一寬度WC1至少等于所述第一層寬度WD1時的大小。
13.根據權利要求12的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第一寬度WC1基于第一處理對準偏差Δ1被預選為小于所述第一層寬度WD1。
14.根據權利要求12的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第二寬度WC2預選為小于所述第二層寬度WD2，并相對所述第二層寬度WD2放置，使所述第二層寬度WD2覆蓋整個所述第二寬度WC2，以及其中，所述第二寬度WC2的所述位置使所述寫入磁場的所述第二部分HY與所述數據存儲層20耦合，使施加到所述第二導體32的所述電流IX的大小小于所述第二寬度WC2至少等于所述第二層寬度WD2時的大小。
15.根據權利要求14的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第二寬度WC2基于第二處理對準偏差Δ2被預選為小于所述第二層寬度WD2。
16.一種用于增加磁存儲單元中的寫入磁場的寫入導體布局結構10，它包括數據存儲層20，它在第一方向V上具有第一層寬度WD1，并且在第二方向H上具有第二層寬度WD2；第一導體30，用于對施加到所述第一導體30上的電流IY作出反應來產生寫入磁場的第一部分HX，所述第一導體30具有第一寬度WC1，WC1預選為小于所述第一層寬度WD1并相對所述第一層寬度WD1放置，使所述第一層寬度WD1覆蓋整個所述第一寬度WC1；以及第二導體32，用于對施加到所述第二導體32上的電流IX作出反應來產生寫入磁場的第二部分HY，所述第二導體32具有至少等于所述第二層寬度WD2的第二寬度WC2，所述數據存儲層20設置在所述第一和第二導體(30，32)之間，并且所述第一和第二導體(30，32)分別大體上以所述第一和第二方向(V，H)穿過所述數據存儲層20，所述數據存儲層20適合于存儲作為磁化方向的一位數據，并對所述寫入磁場的所述第一和第二部分(HX，HY)作出反應來改變所述磁化方向，以及其中，由施加到所述第一導體30上的電流IY所產生的所述寫入磁場的第一部分HX的強度大于所述第一寬度WC1至少等于所述第一層寬度WD1時的強度。
17.根據權利要求16的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第一寬度WC1基于第一處理對準偏差Δ1被預選為小于所述第一層寬度WD1。
18.根據權利要求16的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第二寬度WC2預選為小于所述第二層寬度WD2并相對所述第二層寬度WD2放置，使所述第二層寬度WD2覆蓋整個所述第二寬度WC2，以及其中，由施加到所述第二導體32上的電流IX所產生的所述寫入磁場的第二部分HY的強度大于所述第二寬度WC2至少等于所述第二層寬度WD2時的強度。
19.根據權利要求18的寫入導體布局結構10，其特征在于所述第二寬度WC2基于第二處理對準偏差Δ2被預選為小于所述第二層寬度WD2。
全文摘要
公開一種改進MRAM性能的最佳寫入導體布局結構。用于磁存儲單元的寫入導體布局結構10包括第一方向V上具有第一層寬度W
文檔編號G11C11/14GK1338755SQ0112306
公開日2002年3月6日 申請日期2001年7月20日 優先權日2000年7月21日
發明者M·巴塔查里亞, T·安東尼 申請人:惠普公司