CN1312943A - 存储单元阵列及其制法 - Google Patents

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Abstract

在存储单元阵列内提供第1和第2导线,在其交叉处安排具有磁致电阻效应的存储元。提供一磁轭,分别包围导线之一并包含具有导磁率至少为10的可磁化材料。该磁轭是如此安排的,使得通过磁轭磁通基本上经存储元闭合。

Description

存储单元阵列及其制法
本发明涉及具有磁致电阻效应的存储元的存储单元阵列及其制法。
从Stefan Mengel所著“Technologie Analyse XMR-Technologien,Technologiefrueherkennung，出版社VDI-Techologiezentrum Physikalische Technologie出版，获悉具有磁致电阻效应的层结构。各按层结构的构造区分为GMR元，TMR元，AMR元和CMR元。GMR元的概念在学术界用于具有至少两层铁磁层和其间安排一层非磁性导电层的层结构，并显示GMR(巨大磁致电阻)效应，即与AMR(各向异性磁致电阻)效应相比有大磁致电阻效应。对GMR效应应理解为这样的事实：GMR元的电阻无论对平行于(在平面内的CIP电流)或垂直于(垂直于平面的CPP电流)层面的电流而言，与在两铁磁层内磁化方向是平行或逆平行取向有关。这时根据磁化强度的取向，在室温下电阻变化ΔR/R=5到20％。
在学时界，TMR元的概念用于“隧道磁致电阻层结构，该结构至少具有两磁铁层和其间安排的一绝缘非磁性层。这时绝缘层是如此之薄，以致在两铁磁薄层之间产生隧道电流。该磁层结构又显示磁致电阻效应。它是由经两铁磁薄层间安排的绝缘非磁性层的自旋极化隧道电流引起的。在这种情况下TMR元(CPP阵列)的电阻也与在两铁磁层内的磁化强度平行或逆平行取向有关。在室温下电阻变化ΔR/R=10到30％。
AMR效应的特征为，在磁致电阻导线内的电阻在平行和垂直磁化强度方向是不同的。它具有体积效应并因此出现在铁磁单层里。
由于其量(室温下ΔR/R=100到400％)成为巨大磁致电阻效应的另一磁致电阻效应。由于其高矫顽力为了在磁化强度状态间转换必须高磁场。
建议应用GMR元作为存储单元阵列内的存储单元(参阅例如D.D.Tang,P.K.Wang,V.S.Speriosu,S.Le,K.K.Kung,“Spin ValueRAM Cell”,IEEETransactions on Magnetics,Vo1.31,No.6,96年11月P3206)GMR元用作存储单元阵列内的存储元，这时GMR元的铁磁层的磁化强度方向。例如通过相邻的反铁磁层保持。提供彼此交叉的X和Y导线。在X/Y导线交叉点上分别安排存储元。为了写入信息，X/Y导线加信号，这些信号在交叉点上引起足够用于反复磁化的磁场。为了读出信息，X/Y导线加信号，通过该信号反复接通在两磁化状态之间有关的存储单元。通过存储元测量电流，由此求出电阻值并因此得到信息。
这时为了读和写，必须相当于8到80 A/CM的10到约100Oe的局部磁场。这时，在导线内通过尽可能低电流产生磁场是值得追求的。
可是随着微型化的进展，为产生局部磁场必要的电流密度较大。另外观察到效应(参阅M.M.Kryder,Kie Y.Ahn,N,J.Mazzeo,S.Schwarzl,And S.M.Kane,”Magnetic Properties and DomainStructures in Narrow NiFe Stripes(在狭NiFe带内磁性和畴结构)“IEEE Transactions on Magnetics,Vol.Mag.-16,No.1,80年1月，1999)，磁性配电板阀随着尺寸变小而上升，即为了开关必须更高电流。
因此本发明的的问题是提供具有磁致电阻效应的存储单元阵列，它是可以用比传统技术更低的电流和电流密度编程的。此外也提供这种存储单元阵列的制法。
根据本发明本任务通过根据要求1的存储单元阵列以及根据权利要求12的制法解决。本发明的扩展从其余的权利要求给出。
在存储单元阵列内提供至少一条第1导线，一条第2导线和安排在第1导线，第2导线之间交叉处的具有磁致电阻效应的存储元。首先接通在第1和第2导线间的存储元。此外提供一磁轭，该磁轭局部包围至少导线之一并且包含具有相对导磁率至少10的可磁化材料。该磁轭是如此安排，使得通过磁轭的磁通经存储元闭合。为了存储单元的写入，第1和第2导线是这样加电流，使通过第1和第2导线的磁场叠加在存储元之处产生超过存储元开关阀的磁场。
这时磁轭通过被磁轭局部包围的通电流的导线的磁场磁化。因此感应通量密度B增大系数μr约10倍。因此在磁轭的正面上形成磁极，其间产生一磁场。该磁场与磁轭材料选择有关采纳极高值并且用于存储元的开关。因此在导线内相同的电流密度下为开关存储元可以达到相当高的磁场。
磁轭可以由所有铁磁体材料和铁氧体材料形成。
磁轭主要由软磁，铁电薄层形成，尤其由Fe,Ni,Co,Mn,MnBi,FeSi合金，FeNi合金，FeCo合金，FeAl合金或软磁铁氧体形成。
在存储单元阵列内应用磁通聚集器在US-PS 4 455 626内已经提出。在那里薄层用作存储元，在薄层内与信息有关的磁化通过两相邻的写入线改变。为了读出信息提供一只磁致电阻传感器，它与读导线一起安排在称做磁场聚集器的，由可磁化材料构成的平面层的磁隙内存储层下。通过磁场聚集器存储层的磁通聚集到磁致电阻传感器上。这安排并非为此提供的，并且为磁性存储层的反复磁化提高在线性写入导线内电流是合适的。
在本发明的存储单元阵列内在CPP阵列内(电流垂直于平面的)所有已知的TMR元或GMR元适合于存储元。如果电流垂直的流过叠层存储器(CPP)，则GMP效应大于电流与层平行(CIP电流在平面内)时。此外，所有XMR元，包括至少具有不同电阻的两种磁化状态是合适的，其间加磁场，其强度对于存储器使用是可承受的，可以反复开关。尤其是CMR元的应用是可能的，因为通过磁轭是可以达到必要的磁场强度的。
首先，存储元分别具有两铁磁层和其间安排的非磁性绝缘的(TMR)或导电的(GMR)层。铁磁层分别具有两种磁化状态。应用绝缘，非磁性层(TMR元)是有好处的，因为由此可以达到较高的元电阻(≥100kΩ)，这对功耗和信噪比是较好的。
铁磁层之一首先对反铁磁层相邻安排，其磁化方向在相邻的铁磁层内固定。包含元素Fe,Mn,Ni,Cr,Co,V,Ir,Tb和O至少之一的其它材料适用于反铁磁层。
另外，存储元分别包含两铁磁层和其间安排的非磁性层，其中，铁磁层之一磁硬度大于另外的铁磁层，即只有一铁磁层反复磁化，而其它层不受影响。非磁性层可以是绝缘或非绝缘的。
另外两铁磁层基本上具有相同的材料成分，其中在铁磁层之一内的磁化经磁轭可以有目的地转化。
此外，包含元素Fe,Ni,Co,Cr,Mn,Gd,Dy至少之一的材料适用于铁磁层。在GMR元CIP阵列的铁磁层的厚度主要处于2和10nm之间。在CPP阵列的GMR和TMR情况下铁电层的厚度也较厚(例如100到200nm)。绝缘材料Al2O3,MgO,NiO,HfO2,TiO2,NbO和SiO2适合做隧道绝缘子用的非磁性层。作为非绝缘材料，Cu或Ag适宜作非磁性层。非磁性层厚度处于1和4nm之间的范围内，主要在2和3nm之间。
存储元主要具有尺寸在0.05和20μm之间的范围内。此外它可以安排成正方或伸直的。
首先导线，存储元和磁轭集成包含在衬底内。应用包含由半导体材料，尤其是由单晶体硅制成的载体片的衬底是特别有益的，因为在这种情况下集成的存储单元阵列是可以由硅处理技术制造的。由此在存储单元阵列内高封装密度是可达到的。此外外设也可以在衬底内集成。
根据本发明的扩展，在载体片上的衬底具有配备一沟的第1绝缘层。第1导线是在沟内走向的。第1导线上安排存储元，并在存储元上安排第2导线。如果磁轭局部包围第1导线，则对沟的侧面和底面邻接，并在第1绝缘层内沟的成形后通过层的沉积是可以制造的。如果磁轭包围第2导线，则它对侧面和避开存储元的第2导线表面相邻，并且可通过层沉积和衬垫刻蚀制造。
首先提供第1磁轭和第2磁轭，它们分别如磁轭那样形成并由第1磁轭局部包围第1导线，而第2磁轭局部包围第2导线。无论第1磁轭或第2磁轭是如此安排的，使得磁通通过第1磁轭或第2磁轭基本上经存储元闭合。这种构型具有优点，无论由通电流的第1导线产生的磁场或由通电流的第2导线产成的磁场经第1磁轭或和第2磁轭在存储元处产生强磁场。
在存储单元阵列里，通过其间连接存储元的第1导线和第2导线选择存储单元。第1导线和第2导线在存储单元范围彼此可以或平行或垂直走向。相应的在存储元处平行排列的磁场或垂直排列的磁场彼此叠加。
为了达到较高的存储密度，多个存储元配备磁轭，第1导线和第2导线是有利的。主要是光栅型安排的存储元各自安排在第1导线和第2导线的交叉处。
因为本发明的存储单元阵列内在给定电流强度下产生可观的，至少系数为10到100的局部磁场，在导线具有相同的导线截面情况下出现显著低的电流密度。即使在存储单元阵列强烈微型化下必要的电流密度也处于由电迁移决定的界限之下
因为在相同电流强度可达到较高的磁场，所以具有本质上高于10Oe的矫顽磁场强度的磁硬层也可以用于存储元。由磁硬层构成的存储元具有优点，它对外磁干扰不敏感。因此对磁场屏蔽要求较低。此外，减少了数据丢失的危险。
通过较低电流密度不必增大导线高度，因此不必增大长宽比。因此存储单元阵列也适用于为提高存储密度的叠式安排。
如果受限于较小电流强度，则为了产生相同的磁场必须可以大大降低在读写过程的功耗。
本发明依靠在附图中描述的实施例详细说明如下，即：
图1a示出通过连接在第1导线和第2导线间的存储元剖面，其中一磁轭局部包围导线之一。
图1b示出通过图1a所示磁轭的一个剖面
图2a示出通过连接在第1导线和第2导线间的存储元剖面，其中第1导线被磁轭局部包围。
图2b示出通过图2a所示磁轭和存储元的一个剖面。
图3示出在沉积铁磁层时在刻蚀沟后通过衬底的一个剖面。
图4示出在沟内形成第1磁轭和第1导线后通过衬底的图3描绘的剖面。
图5示出在形成被绝缘层包围的第1铁磁层后通过衬底的图4描绘的剖面。
图6a示出在形成隧道层和第2铁磁层后通过衬底的图5描绘的剖面。
图6b示出在沉积绝缘层和形成第2沟后在图6a用b-b标明的剖面。在图6a表示的剖面是在图6b用a-a标明。
图7示出在第2铁磁层上形成隔垫和第2导线后在图6b描绘的剖面。
图8示出在与隔垫一起形成第2磁轭的第2导线上形成涂层后通过衬底的图7描绘的剖面。
图9示出安排磁致电阻元件为存储元的存储单元阵列的剖面。
具有磁致电阻效应的存储元SE安排在例如由AlCu构成的第1导线和例如由AlCu构成的第2导线之间。存储元SE或与第1导线L1或与第2导线L2彼此垂直伸展。在第1导线L1和第2导线L2的交叉点安排存储元SE。第2导线L2局部被磁轭J包围(参照图1a)。磁轭J包围上部J1，两侧部J2以及两下部J3。上部J1与第2导线L2的避开存储元SE的那个表面相邻。侧部J2与上部J1和第2导线L2侧壁相邻。下部J3与侧部J2和存储元相邻的第2导线L2表面部分相邻。磁轭J由铁制成。此外，所有软铁磁体如Fe,FeNi,Ni,Co或类似物是合用的。垂直于由第1导线L1或与第2导线L2张开的平面的上部J1的厚度以及对由L1和L2张开的平面平行的侧部I2可比较的厚度约为导线宽的20％。垂直于由第1导线L1或与第2导线L2张开的平面的下部J3的厚度d至少等于存储元SE的厚度，最大等于渡越路径L2宽度的20％。(参阅图1b)。
如果第2导线L2流过电流，则在导线L2外产生磁场H。该磁场在磁轭J内产生磁通φ=μ0μrH，它在磁路里近似地为常量。在磁轭的上部J1，磁通φ=μ0μrFH，其中F=Db是磁轭部J1和J2的截面积，b是垂直于附图平面的磁轭J的膨胀。在磁轭J的下部J3，磁通φ=μ0μrfH，其中f=db是部分J3的截面积。磁轭J3的下部在彼此相向的正面上有磁场。在磁极P之间产生磁场Ha，由于磁通的恒定性有Ha=μrF/f H0因为另一方面在软磁材料内最大可达到的磁场强度在饱和时通过极靴的饱和和磁化强度Ms决定，Ha=F/f(H+Ms)=(F/f)Ms。与饱和磁化强度Ms相比，数量级为10到100A/cm磁场H大多可忽略。
铁具有饱和电感μ0Ms(Ms：饱和磁化强度)=2.1T。如果F/f=1则因此最高可达到的磁场强度Ha为1.67×10A/m(21KOe)。在这考虑下认为在磁轭的下部和存储元SE间的泄露磁场耗损是可以忽略的。
具有磁致电阻效应的存储元SE’接在第1导线L1’和第2导线L2’之间(参阅图2a)。第1导线L1’局部被磁轭J’包围。磁轭J’具有下部J1’和第2侧部J2’。垂直于由第1导线L1’和第2导线L2’张开平面的存储元SE’的厚度d=20到约100nm。
如果第1导线L1’流过电流，则建立磁场H，该磁场引起在磁轭J和存储元SE’内的磁通中。因此取决于电流符号可以接通存储元。与用图1a,1b说明的实施例类似，与实际制造有关优选的本实施例通过导线电流在存储元处产生磁场的可比较的放大和浓度。
通过这浓度变化在存储元SE内在与磁轭J2’相邻的边缘区形成非均匀磁化强度分布。这不防碍电路功能，但在读出时必须考虑。
依靠图3到8，对0.18μm技术的存储单元阵列的制造描述如下。
在由单晶硅构成的载体片1上沉积由SiO2构成的绝缘层。第1绝缘层2具有300到400nm的深度。在应用光刻胶处理步骤时在第1绝缘层2内产生第1沟3。第1沟3具有200到300nm的深度，250到300nm的宽度，以及与单元场有关的50到400μm的长度。
接着沉积由Fe或坡莫合金(Ni80Fe20)构成第1软磁性层4；层原20到40nm。第1软磁层4为第1沟3宽度的约10到20％。沉积可以通过溅射，蒸发，CVD，电镀或类似法实现(参阅图3)。借助光刻工艺步骤和各向异性刻蚀第1软磁层4垂直于第1沟3方向结构化，所以它具有与第1沟3交叉的带。
通过沉积金属化层，该层包含AlCu并且完全充填第1沟3的区域，接着化学机械抛光，形成第1导线，通过第1软磁层4的结构化形成第1磁轭4’。通过预先结构化决定垂直于附图平面的第1磁轭的膨胀，为200到300nm。一旦第1绝缘层2的表面露出，化学机械抛光终止(参阅图4)。
整个平面的沉积由层厚20到60nm的SiO2构成的薄绝缘层6，并借助光刻工艺步骤如此结构化，以至第1导线5的表面局部露出。接着通过沉积和化学机械抛光产生第1软磁层7。第1软磁层7填满在绝缘层6内的开口。第1软磁层7与第1导线5电连接(参阅图5)。铁磁层7的厚度为20到40nm，宽度为100到200nm，垂直附图平面的深度为180到200nm(参阅图5)。第1软磁层7对第1磁轭绝缘。
通过反应溅射2到4nm厚的氧化铝(Al2O3)层(未示出)在第1铁磁层7的表面形成Al2O3的隧道壁垒层8。
第1软磁层7由Co(或另一铁磁材料)形成。
通过沉积和光刻结构化第2磁铁层9在隧道层的表面上成像。第2磁铁层9由Co形成。它具有20到60nm厚度，180到200nm宽度和垂直于第1导线5走向的200到300nm深度(参阅图6a和6b)。
沉积200到300nm厚度的SiO2第2绝缘层10。借助于光刻工艺步骤在第2绝缘层10内产生第2沟11。在第2沟11的底部上，至少局部露出第2磁铁层9的表面。第2沟11具有200到300nm宽度，200到300nm的深度和垂直于第1导线5的50到400nm长度。
通过沉积由Fe或Ni80Fe20构成的第2磁铁层和各向异性反向刻蚀，在第2沟11的侧边缘形成间隔垫12。间隔垫12的宽度为20到60nm，它通过沉积的第2软磁层的厚度决定。
通过沉积具有AlCu和厚度200到400nm的金属化层，接着化学机械抛光，直到SiO2构成的第2绝缘层10的表面终止，在第2沟11内形成第2导线13。第2导线13完全填充第2沟11(参阅图7)。通过沉积20到60nm的第3软磁层以及借助光刻工艺步骤结构化，第2导线13的表面形成磁轭部分14，其截面基本上相应于第2软磁层9的截面。磁轭部分14和间隔垫12一起形成第2磁轭，该磁轭局部包围第2导线，第2磁轭放大在第2软磁层9处由通电流的第2导线13产生的磁场。
第1磁轭4’放大由通电流的第1导线5产生的磁场。
第1导线5和第2导线13经由第1磁铁层7，隧道层8和第2磁铁层9形成并显示磁致电阻效应的存储元连接。通过第1导线5和第2导线｀13相应的控制可以测量存储元的电阻。按照此法，可以读出以各种磁化状态存储的信息。
为了写入信息，如此控制第1导线5和第2导线｀13，使得根据电流在第2磁铁层9产生的磁场足够使第2磁铁层9的磁化状态改变。根据不同的材料特征量和/或磁铁层7,9，第1磁铁层7的磁化状态保持不变。
为了建立把磁致电阻元件安排作存储单元5的存储单元阵列，存储元5安排成光栅形(参阅图9)。这时，每一存储元与连接在第1导线Le1和第2导线Le2之间第1导线Le1彼此平行走向并且与彼此也平行走向的第2导线Le2交叉。

Claims (14)

1、存储单元阵列，其特征为：
-其中，提供至少一条第1导线(L1)，一条第2导线(L2)，和一条具有磁致电阻效应的存储元(SE)，
-其中，存储元安排在第1导线(L1)和第2导线(L2)之间的交叉处，
-其中，安排一磁轭(J)，它局部包围导线(L2)之一，并包含具有相对导磁率至少为10的可磁化材料，
-其中，如此安排一磁轭(J)，使得通过磁轭的磁通经存储元(SE)基本闭合。
2、根据权利要求1所述的存储单元阵列，其特征为：
其中磁轭包含软磁性的铁磁材料。
3、根据权利要求1或2所述的存储单元阵列，其特征为：
其中存储元(SE)连接在第1导线(L1)和第2导线(L2)之间。
4、根据权利要求1到3之一所述的存储单元阵列，其特征为：
其中导线(5,13)，存储元(7,8,9)和磁轭(4’)集成包含在衬底(1,2)内。
5、根据权利要求4所述的存储单元阵列，其特征为：
-其中，衬底包含具有主面的载体片(1)，该载体片在主面上具有第1绝缘层(2)，
-其中，在第1绝缘层(2)内提供一沟(3)，磁轭(4’)与沟的底和侧面相邻，在沟内安排第1导线(5)，
-其中，在磁轭上和第1导线表面安排存储元(7,8,9)。
6、根据权利要求4所述的存储单元阵列，其特征为：
-其中，衬底包含具有主面的载体片(1)，该载体片在主面上具有第1绝缘层(2)，
-其中，在第1绝缘层(2)内提供一沟(3)，在沟内安排第1导线(5)，
-其中，在第1导线(5)表面安排存储元(7,8,9)，
-其中，在存储元(7,8,9)之上安排第2导线(13)，
-其中，在存储元(7,8,9)之上磁轭(12,14)与第2导线侧面和避开存储元(7,8,9)的表面相邻，
-其中，提供第2绝缘层(10)，该层局部包围第2导线(13)和磁轭(12,14)。
7、根据权利要求1到3之一所述的存储单元阵列，其特征为：
-其中提供第1磁轭(4’)和第2磁轭(12,14)，它们分别局部包围导线(5,13)之一，并且分别包含具有相对导磁率至少为10的磁性材料。
-其中第1磁轭(4’)是如此安排的，使磁通通过第1磁轭(4)主要经存储元(7,8,9)闭合，
-其中第2磁轭是如此安排的，使磁通通过第2磁轭(12,14)，主要经存储元(7,8,9)闭合。
8、根据权利要求7所述的存储单元阵列，其特征为：
-其中，导线(5,13)，存储元(7,8,9)和第1磁轭(4’)，第2磁轭(12,14)集成包含在衬底内，
-其中，衬底包含具主面的载体片(1)，该载体片在主面上具有第1绝缘层(2)，
-其中，在第1绝缘层(2)内提供一沟(3)，第1磁轭(4’)与其沟底及侧面相邻，并在其沟内安排第1导线(5)，
-其中，第1磁轭(4’)和第1导线(5)之上安排存储元(7,8,9)，
-其中，在存储元上安排第2导线(13)，
-其中，在存储元(7,8,9)上第2磁轭(12,14)与第2导线(13)侧面和避开存储元(7,8,9)的表面相邻，
-其中，提供第2绝缘层(10)，该层至少局部包围第2导线(13)和第2磁轭(12,14)。
9、根据权利要求1到6之一所述的存储单元阵列，其特征为：
-其中，提供彼此平行走向的第1导线和彼此平行走向的第2导线，
-其中，具有磁致电阻效应的各一个存储元和局部包围导线之一并包含具有导磁率至少为10的磁性材料的磁轭在一对用第1导线之一和第2导线之一之间连接，该磁轭是如此安排的，使磁通通过磁轭主要经存储元闭合。
10、根据权利要求7或8所述的存储单元阵列，其特征为：
-其中，提供彼此平行走向的第1导线和彼此平行走向的第2导线，
-其中，具有磁致电阻效应的各一个存储元和局部包围第1导线之一，并包含具有导磁率至少为10的磁性材料的第1磁轭和第2导线之一，并包含具有导磁率至少为10的磁性材料的第2磁轭在一对用第1导线之一和第2导线之一连接，该磁轭是如此安排，使得磁通通过第1磁轭基本上经存储元闭合，而第2磁轭是如此安排，使得磁通通过第2磁轭基本上经存储元闭合。
11、根据权利要求1到10之一所述的存储单元阵列，其特征为：
-其中存储元至少包含元素Fe,Ni,Co,Cr,Mn,Gd,Dy之一或存储元至少包含材料Al2O3,NiO,HfO2,TiO2,NbO,SiO2之一，
-其中磁轭至少包含元素Fe,Ni,Co,Cr,Mn,Gd,Dy之一。
12、存储单元阵列的制法，其特征为：
-其中，在载体片(1)上沉积第1绝缘层(2)，在绝缘层内产生第1沟(3)，
-其中，第1磁轭(4’)由具有磁导率至少为10的可磁化材料产生，该磁轭与沟(3)的侧壁和底部相邻，
-其中，在第1沟(3)内产生第1导线(5)，
-其中，在第1磁轭(4’)之上产生与第1导线(5)连接的具有磁致电阻的存储元(7,8,9)，
-其中，在存储元(7,8,9)之上产生与存储元(7,8,9)连接的第2导线。
13、根据权利要求12所述的制法，其特征为：
-其中，为了产生第1磁轭(4’)沉积第2绝缘层(10)，在绝缘层内产生第2沟(11)，
-其中，在第2沟(11)内产生第2导线(13)，
-其中，产生由具有导磁率至少为10的可磁化材料构成的磁轭部(14)，该磁轭部在存储元(7,8,9)之上至少部分覆盖第2导线(13)，并且与由可磁化的材料构成的间隔垫(12)连接，所以间隔垫(12)和磁轭部(14)形成第2磁轭。
14、根据权利要求12或13所述的制法，其特征为：
-其中，第1导线(5)和上面的第2导线(13)通过沉积金属层和化学机械抛光形成。
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