專利名稱：固態磁存儲系統和方法
技術領域：
本發明涉及固態存儲器，尤其涉及使用磁結隧道效應或自旋閥效應的固態磁存儲裝置、方法和系統。
背景技術：
在現代計算的早期，磁存儲器傳統上與磁心存儲器關聯。由于半導體存儲器的出現，磁心存儲器迅速被廢棄。結果，新近的磁存儲器已經幾乎專有的與磁盤驅動器關聯。在磁盤驅動器中，涂有磁性材料的盤片接近一個或多個磁頭旋轉。依賴加到磁頭上的電信號，通過分別地影響或感知盤片上磁性材料部分的對準，磁頭能寫到磁盤或從其讀出。而這在很長時期中已經良好的服務了許多應用，磁盤驅動器的移動部分和機械方面會限制它們在許多應用中的需要，這些應用可以包括可能損壞相對精密磁盤驅動器的沖擊或其它應力。
最近，利用了GMR或巨磁阻效應的固態磁裝置已經取得發展。在其中可以觀察到GMR效應的一個結構示例由四層磁性薄膜堆棧組成自由磁性層，非磁性導電層，磁性固定層(magnetic pinned layer)，和交換層。固定層(pinned layer)的磁性取向是固定的，并且通過交換層固定就位。通過應用外部磁場，自由層的磁性取向可以相對于固定層的磁性取向變化，這樣可以存在兩種狀態。這些狀態因此可以表示兩個邏輯值。在磁性取向的變化導致在金屬層狀結構的電阻發生顯著的變化，并且能夠感知到電阻以指示存儲的邏輯值。
GMR效應已經應用在稱為MRAM或磁阻隨機存取存儲裝置中。這些裝置比磁盤驅動器提供一些非常急需的好處，因為它們不包括任何移動部分。典型的MRAM結構在圖1中示出了，其中鐵磁材料的兩層由薄絕緣層分開，以形成磁隧道結。當施加磁場時，在底層的疇方向被固定，而在頂層的這些可以被轉換。是存儲1還是0取決于兩個層的磁疇指向相同還是相反方向。
寫數據到MRAM單元包括施加電流到位和數字線。由兩個電流建立的磁場在希望的方向上對齊磁疇。在圖1的情況中，在位線10從左到右和數字線15的進入頁里的電流在與固定層25相同的方向對準自由鐵磁層20。絕緣體30位于自由層20和固定層25之間。自由和固定的層的方向由在各自層上的箭頭示出，盡管固定的層的定向可以在任一方向。本領域的熟練技術人員可以理解層20、25和30形成一個磁隧道結。
讀取單元包括測量隧道結的電阻。如果兩個層里的疇是平行的，它為低，如果是反平行的，它為高。
在典型的MRAM結構中，低矯頑性鐵磁材料用于寫，GMR堆棧用于對單元的讀取和寫入。進一步的，GMR堆棧典型的與用來提供驅動信號的金屬線接觸，每單元至少一個驅動晶體管是必需的。不幸的，MRAM裝置的這些特征對其廣泛地采用提出了一些重要的挑戰。
例如，包含在MRAM技術集成中的一個挑戰是與CMOS處理溫度不相容。多個標準CMOS處理步驟在或高于400℃發生。然而典型磁隧道結(MTJ)材料的磁阻(MR)效應在溫度高于300℃時開始降低并且在400℃附近急劇下降。由于隧道電介質只有大約1.5nm厚，使用MJT生產MRAM是一項關鍵處理挑戰。結果，在用于MRAM的磁性材料和CMOS處理必需的溫度管理之間缺乏兼容性使得將MRAM集成到現有CMOS處理中變得困難。
常規MRAM裝置的另一局限性是擦除過程相對慢和低效率。在MRAM裝置中，擦除處理基本上是寫處理的反向；就是說，為了編程MRAM存儲位，使電流沿一個方向通過導線。為了擦除該MRAM存儲位，使電流沿相反方向通過相同的導線。這基本上限制每個擦除步驟在小扇區規模，由于其慢和低效率這是不合需要的。
結果這就需要能夠與CMOS處理兼容的固態磁存儲裝置。另外，也需要能夠提供存儲單元的平行和反平行狀態之間大的電阻差的固態磁存儲裝置。
發明內容
本發明提供一種固態、隨機存取、非易失性磁存儲裝置，能夠以與常規COMS處理兼容的方式與驅動電子設備集成。重要的，本發明不包括移動部分，事實上沒有等待時間，并且如同許多嵌入和離散應用所希望的能夠被縮放。
本發明提供一種固態磁存儲裝置，具有用于寫入和讀取的單獨的堆棧，其中只有讀功能依賴GMR效應。另外，在當前發明的一個示例性實現中，記錄位不與金屬線接觸，并且每個單元不需要與其關聯的專用晶體管。另外，在典型實現中，顯著較高的矯頑性鐵磁材料可以用于寫。
仍進一步的，本發明的一個實施例提供一種CMOS/磁結構，其中驅動電子設備在系統磁性部分之下的襯底實現，該磁性部分利用GMR效應。在另一個實施例中，驅動電路也是磁性的。
進一步的，在發明的至少一些實現中，提供塊擦除功能，其中存儲單元的整個扇區可以同時擦除，因此大大的增加了效率。
本發明這些和其他特征將從本發明下面的詳細描述中結合附圖得到更好的理解。
圖1[現有技術]以透視圖示出常規MRAM單元。
圖2以透視圖示出依據本發明的單一存儲單元的一個示例性配置。
圖3示出了圖1示例性配置的視圖，還包括用常規CMOS或其他處理制作到襯底的電子驅動電路的表示。
圖4A以透視圖示出依據本發明的單個位的簡化形式。
圖4B以截面圖示出依據本發明的單個位的簡化形式。
圖4C以頂部俯視圖示出單個位的簡化表示和關聯的編程/擦除線。
圖5A-5D以簡化的示意圖形式示出依據本發明的寫和擦除操作，包括最好在圖5D中示出的塊擦除配置。
圖6A示出依據本發明的單個位的阻抗模型。
圖6B以示意圖形式示出依據本發明一個示例性實施例的位線/字線編程/擦除電路的簡化表示。
圖7是依據本發明對單個位的寫時序圖。
圖8是依據本發明對單個位的讀時序圖。
圖9A-9T是對于諸如在圖2示出的裝置制作的處理流程步驟。
圖10示出了與本發明一起使用的讀/寫磁頭的第一形式。
圖11示出了與本發明一起使用的讀/寫磁頭的第二形式。
具體實施例方式
下面參考圖2，可以更好的理解依據本發明的存儲單元。磁媒體記錄位200位于用于編程和擦除的行線205和列線210對的內部。薄金屬墊片215位于記錄位200之下。在示例性配置中，墊片215由Co/Cu/Co組成，大約1.5nm厚。磁性層220位于墊片215之下。在磁性層220之下是也可以被認為成讀層的GMR堆棧225。在本發明的一個示例性配置中，GMR堆棧僅僅用于讀功能，盡管其中GMR堆棧用于實現寫和讀的其它配置也是可能的。GMR堆棧可以采取任何可接受的形式，諸如自旋閥或磁隧道結，其中的每個分別在圖10和圖11中更完全的示出。位于GMR堆棧225之下的是導線230，典型的為銅導線，用來將GMR堆棧連接到陣列的剩余部分。整個結構在一個襯底上，銅線230以常規方式集成到該襯底中。因此可以理解本發明的存儲單元位于倒轉的配置中，其中寫和擦除線位于媒體位之上，并且讀磁頭位于媒體位之下。這種配置具有能夠在與常規CMOS處理兼容的過程中制作的好處，并且因此在增加磁性特征之前可以在襯底制作驅動電子設備。
媒體位200典型地以離散光刻構圖的磁性元素陣列排列，這里每個媒體位存儲一個數據位。每一個數據位典型地與其他位交換的隔離。然而，沒有每個媒體位，多晶磁性晶粒強烈的交換耦合，在至少一些方面表現基本上類似較大的單一磁性晶粒。用于媒體位的材料典型的具有單一疇，并且能夠由多晶材料以及單一晶體或非晶體材料制成。磁性元素僅僅具有單個極化存取，這里極化的方向賦值為“1”或“0”。依靠媒體位材料的磁性屬性，每個離散磁性元素的最小體積可在尺寸上像幾納米那樣小。由超順磁限制主要地確定最小體積，但是媒體位典型的具有高的各向異性能量。
從圖3中可以理解這樣的配置，其中圖2中的存儲單元在襯底之上以截面透視圖描述，已經在該襯底上制作了適當的驅動電子設備。為了清楚起見，圖2和圖3中相同的元件用相同的參考數字指示。因此，向下通過導線230的媒體位200與圖2中的相同，盡管硅和絕緣體的適當層(總體標記為300)在它們單獨地標識元件周圍的適當位置示出了。處理流程、以及因此每一層的組合將在下文中連同圖9A-9T更詳細的討論。擔當驅動邏輯的多個裝置在310示出，并且連同圖6A-6B更詳細的解釋。典型的通過常規CMOS處理，在常規襯底315中制作裝置310。用于互相連接裝置310的適當導線在320示出。通過貫穿鈍化層330的通路325將導線320連接到磁性部分。
下面參考分別示出了單個位的透視圖、截面視圖和頂部俯視圖的圖4A、4B和4C，可以更好的理解示例尺寸。如前所述，相同的元件用與在圖2中相同的參考數字示出。如在圖4B的配置中最佳看到的，標稱尺寸為下列數量級，可以理解尺寸a、b和c可以在掩膜上變化，而尺寸d到i可以在晶片上變化a＝200nmf＝～30nmb＝200nmg＝170nmc＝200nmh＝200nmd＝450nmi＝450nme＝～30nm
下面參考圖5A-5D，依據本發明對于存儲單元隊列的寫和擦除操作會有更好理解。尤其是，僅僅為了說明的目的，圖5A描述存儲單元的3×3陣列，其中的每個具有在其中心的媒體位500，如500A-I單獨地示出。可以理解實際陣列典型的比3×3大的多，并且實際上是成百萬的或更大數量級。在示例中示出的，尋址線以行和列排列，盡管在適當的實例中其他的布局也是可接受的。行線505A-F和列線510A-H基本上位于媒體位周圍，并且與結合圖6A-6B在下文中討論的適當的邏輯一起提供編程/寫和擦除功能。更具體地說，參考圖5A-5B，通過施加相反極性電流驅動(如由反向箭頭指示的)到行線505B和505C，和[對于媒體位500A]列線510B和510C，和[對于媒體位500C]列線510F和510G，可以將“1”寫到媒體位500A和500C。因為沒有寫電流施加到線510D和510E，媒體位500B沒有變化，保持為0。寫操作(有時在此稱為“編程”單元)的結果可以在圖5B中了解，媒體位500A和500C示出了狀態改變，而剩余媒體位沒有。
在圖中示出的示例性配置中，擦除處理基本上是寫處理的逆，并且從圖5C中能夠更好的理解。相同的行線505B和505C接收相反極性的驅動電流，所述極性也與在寫操作期間使用的極性(圖5A)相反。相似的，列線510B和510C[對于媒體位500A]和510F和510G[對于媒體位500C]接收與寫周期期間使用的相反的極性的驅動電流。結果是恢復各自的媒體位到未編程狀態，這被解譯為“0”。然而，可以理解“0”或“1”分配到任何狀態是任意的，并不是本發明的限制。
下面參考圖5D，以示意性形式描述替換的擦除方案，借此媒體位的塊或扇區可以同時擦除。在圖5D的配置中，媒體位500的矩陣陣列與在圖5A中示出的相似，以行和列排列。四對導線550A-D在一端連接到電流源555并且在另一端接地；可以理解四行的選擇純粹為了解釋，實際隊列將很可能使用更大扇區。在示出的示例性配置中，各線基本上以梳狀排列，所述的媒體位500設置在其間，盡管線的形狀可以隨實現方式廣泛地變化。在擦除處理期間，來自源555的電流如由箭頭560所示在線對550A-D之間分開，因此創造所希望的反向電流流動。同樣可以理解該對扇區擦除的方法是有單獨寫電路輔助的，該寫電路未示出但是基本上和圖5A中示出的一致。可替換的，可以通過增加適當的開關來反向電流流動來使圖5D的電路執行寫操作。
下面參考圖6A，其示出了單個單元的阻抗模型，和圖6B，其示出了單元陣列的示意性表示，其包括用于編程和擦除的位和字線，依據本發明的單元陣列的電操作可以更好的理解。首先參考在圖6A中示出的單個單元表示，單元包括電感器600，由Lbc表示，代表磁性媒體位，并且一端連接在中央節點605。連接到中央節點605的還有電容610，表示位和導線之間的電容，由Cbc表示；電阻器615，由Rbc示出，表示位和導線之間的電阻；和電容620，由Cc表示，與導線自身關聯。電容Cbc的另外一端接地，而其他組件的剩余端連接到陣列的其他節點。
下面參考圖6B，在陣列中示出圖6A的模型，帶有用于編程和擦除的合適驅動連接。對本領域的熟練技術人員來說電容Cc跨越單元共享是顯然的。因此，圖6B示出了存儲單元625的2×N陣列，以兩列和N行排列，在陣列的四個角落有編程和擦除邏輯。在圖6B示出的示例性陣列的“上部”角落的編程/擦除邏輯包括電流源630，用于在編程模式連接電流源的一個晶體管開關635，和用于在擦除模式連接電流源的另一個晶體管開關640。編程和擦除晶體管635和640在單一節點645連接，該節點提供通過電阻器650(表示為Rpar)的電流。為了達到希望的電流反向，編程和擦除晶體管635和640的位置在圖的右邊相對于左邊是反轉的。
相似的，除了編程晶體管660和擦除晶體管670互換之外，為允許希望的電流反向，在左下邊和右下邊的驅動電路是彼此的鏡像。
下面參考圖7，用于寫功能的時序圖示出了單元的時域操作。在示出的示例性配置中，寫周期tWC大約20ns，到寫操作結束的地址有效時間tAW大約15ns，而地址建立時間tAS大約0ns。寫脈沖寬度tWP大約15ns，而寫恢復時間tWR大約0ns。最后，從寫時間結束到輸出激活的時間tOW大約3ns。
下面參考圖8，示出了讀周期時序圖。可以理解，在圖2的結構中，使用GMR堆棧執行讀處理，該堆棧與例如在圖5A示出的尋址線對置。對于圖2的結構，示例性時序圖可能具有下列值tRC＝讀周期＝20ns(最大)tAA＝地址存取時間＝20nstOE＝輸出使能到輸出有效＝8nstACS＝芯片選擇存取時間＝20ns下面參考圖9A-9T，用于制作圖2的示例性存儲結構的處理流程可以得到更好的理解。對于圖9A-9T的目的，假設通過常規CMOS處理已經制作了適當的驅動電路。在圖9A，提供已經處理的晶片900。然后，在圖9B，在晶片900上沉積電介質層905。在示例性配置中，該層是大約5000埃FSG電介質。在圖9C中，例如由光刻術沉積抗蝕層，然后利用讀掩膜來移除。此時，如圖9D示出的，用電介質蝕刻、以及ECP和CMP步驟沉積銅柵欄/籽晶層915。
在圖9E中，在銅柵欄/籽晶層915之上并且穿過比需要的電介質層的更寬部分沉積GMR自旋閥堆棧，或可替換的，沉積GMR磁隧道結堆棧920。抗蝕層925通過光刻術而沉積，例如193nm處理，如在圖9F中示出的。此時利用RIE和Ash來移除GMR堆棧的超出部分，如在圖9G中示出的。通過例如大約2000埃的厚FSG電介質930的沉積填滿縫隙，如在圖9H示出的，包括覆蓋GMR堆棧。
其次，如在圖9I中示出，通過CMP將電介質移除以暴露GMR堆棧，同時為了下一處理步驟留下均勻的表面。此時，如在圖9J中所示，由光刻術鋪設抗蝕層935。在電介質蝕刻、灰化和濕式清潔后，如在圖9K中所示，在合成堆棧的頂上沉積鉭層940。如圖9L所示，磁媒體層945在鉭層940之上緊接著被沉積。下一步，如圖9M所示，在鉭層和GMR堆棧之上沉積抗蝕層950。使用抗蝕層作為向導，磁層的剩余部分由RIE和Ash移除，從磁層945只留下磁點955排列在鉭層940之上。然后，如圖9O所示，沉積電介質層960，例如由SACVD沉積1000埃FSG電介質，用于填滿縫隙。
在下一步，圖9P所示，使用第一層金屬的掩膜利用光刻術沉積另一抗蝕層965。如圖9Q所示，通過電介質蝕刻、銅柵欄/籽晶層沉積、和隨后的ECP和CMP，將第一組地址線970放置在磁點955的任一側。然后如圖9R所示沉積另一FSG電介質層975，該層可以例如是大約2000埃厚。此時，如圖9S所示，連同掩膜使用另一抗蝕層980以準備形成第二金屬層。然后通過電介質蝕刻、銅層的沉積、隨后的ECP和CMP來連接剩余地址線985。結果得到圖2所示的單元結構。
如先前所述，連同本發明使用的GMR堆棧能夠由自旋閥或磁隧道結組成。適當的自旋閥結構的一個例子在圖10中示出，而適合連同本發明的其它方面使用的隧道結的一個例子在圖11示出。首先參考圖10，適當的自旋閥結構典型的包括兩個設置在傳導層1020任一側的鐵磁層1010和1015，傳導層1020設置在襯底1000之上。例如，該傳導層可以由鈷/銅/鈷組成。在一些實現中，可以提供另一反鐵磁層1025，例如鉑錳，以固定磁層的方向。在該設計中，電流在裝置的平面中流過。
參考圖11，示出了磁隧道結裝置的一個例子。在自旋閥和磁隧道結之間的一個顯著不同是電流垂直于裝置的平面流過。像圖10中的自旋閥一樣，隧道結裝置在襯底1100之上設置兩個在隧道柵欄層1120的任一側的鐵磁層1110和1115。柵欄層1120充當磁絕緣層。透磁合金層1125可以設置在鐵磁層1115之上，另一鐵磁層1130在其之上，反鐵磁交換層1135設置在頂部。本領域的熟練技術人員可以理解自旋閥或者磁隧道結的基本結構是充當了感知層的自由層、非磁性墊層和固定層的夾層，使用反鐵磁材料(例如鐵和錳)的交換層來固定固定層的磁性取向。自由層的磁性取向是響應媒體位的方向而自由旋轉，而固定層的方向是固定的，依據媒體位的方向，因此允許在自由層和固定層之間方向上可確定的差別。
已經完全地描述了發明的優選實施例和變化的方案，本領域的熟練技術人員將了解，根據在此給出的教導，存在不背離本發明的多種方案和等價物。因此，本發明并不由前面的描述限制，而是由所附的權利要求書限制。
權利要求
1.一種固態磁存儲系統，包括其中具有驅動電子設備的襯底，放置在襯底之上的磁媒體位，放置在磁媒體位和襯底之間的讀元件，鄰接媒體位并置的位尋址線，基本上鄰接媒體位的字尋址線，所述位尋址線和字尋址線適合于接收編程和擦除信號以使磁位的狀態改變，以及將襯底里的驅動電子設備連接到讀元件的導線。
2.如權利要求1的固態磁存儲系統，其中使用CMOS處理形成襯底。
3.如權利要求1的固態磁存儲系統，其中讀元件包括磁阻堆棧。
4.如權利要求1的固態磁存儲系統，其中讀元件包括巨磁阻堆棧。
5.一種固態磁存儲系統，包括已在其中制作了驅動電子設備的襯底，放置在襯底上的磁媒體單元陣列，每個磁媒體單元包括一個放置在襯底之上的磁媒體位，和一個放置在磁媒體位和襯底之間的讀元件，鄰接至少大部分磁媒體單元中的磁媒體位放置的尋址線，連接到尋址線的至少一個電流源，用于改變至少一些磁媒體單元的磁媒體位的狀態，以及在磁媒體單元和驅動電子設備之間形成連接的傳導鏈路。
6.如權利要求5的固態磁存儲系統，其中讀元件包括磁阻堆棧。
7.如權利要求5的固態磁存儲系統，其中讀元件包括巨磁阻堆棧。
8.如權利要求5的固態磁存儲系統，其中驅動電子設備由CMOS處理形成，所述陣列在其上形成并與其集成。
9.如權利要求5的固態磁存儲系統，其中尋址線被配置為允許扇區擦除。
10.如權利要求5的固態磁存儲系統，其中尋址線包括第一組尋址線，用于編程在陣列中選擇的單元，和第二組尋址線，用于擦除在陣列中選擇的單元。
11.如權利要求6的固態磁存儲系統，其中磁阻堆棧是巨磁阻堆棧。
12.一種制作固態磁存儲裝置的方法，包括步驟通過使用CMOS處理在襯底中制作驅動電子設備，在襯底上與驅動電子設備對齊地沉積一個磁阻堆棧，在磁阻堆棧之上沉積一個磁媒體位，該磁媒體位具有第一和第二狀態，磁媒體位的狀態能夠被所述磁阻堆棧感知，以及鄰接磁媒體位沉積適合于使選擇的位改變狀態的多個地址線。
全文摘要
本發明涉及一種固態磁存儲系統和方法，在襯底上的陣列里設置磁媒體單元的一個陣列。在一個示例性實施例中，通過常規CMOS處理將驅動電子設備制作到襯底里，與陣列相關的單元對齊。每個磁媒體單元包括磁媒體位和用于讀媒體位狀態的磁阻或GMR堆棧。尋址線與媒體位并列，以允許編程和擦除選擇的位。在至少一些實施例中，可以完成扇區擦除。
文檔編號G11C17/00GK1902685SQ200480040197
公開日2007年1月24日 申請日期2004年11月10日 優先權日2003年11月10日
發明者桑托什·庫馬爾, 蘇博得·庫馬爾, 迪夫亞蘇·維爾馬, 克里什納庫馬爾·馬尼 申請人:Cm創新公司