專利名稱：磁存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括磁存儲(chǔ)元件陣列的磁存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)元件包括至少一層磁材料，所述存儲(chǔ)器具有屏蔽磁場(chǎng)的屏蔽層。
在US5902690中披露了這種磁存儲(chǔ)器。
由于磁存儲(chǔ)器具有短的讀寫(xiě)時(shí)間，非易失記憶性能和相當(dāng)?shù)偷墓β氏?，磁存?chǔ)器可以代替SRAM，DRAM，F(xiàn)LASH和非易失存儲(chǔ)器，例如EPROM和EEPROM。磁存儲(chǔ)元件的操作基于磁阻效應(yīng)，這意味著，磁場(chǎng)決定磁材料的磁化方向，并且當(dāng)使電流通過(guò)所述材料時(shí)，材料的電阻取決于磁材料的磁化方向。借助于磁場(chǎng)，材料的磁化方向可以在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。
一種磁化狀態(tài)相應(yīng)于相當(dāng)?shù)偷碾娮?，?狀態(tài)，另一種狀態(tài)相應(yīng)于相當(dāng)高的電阻，即1狀態(tài)。通過(guò)利用局部磁場(chǎng)在每個(gè)存儲(chǔ)元件中定向磁化，可以進(jìn)行存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作。當(dāng)外部磁場(chǎng)改變磁化方向的方位時(shí)，所述磁場(chǎng)可以對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除。所以需要屏蔽防止干擾磁場(chǎng)。
在已知的存儲(chǔ)器中，屏蔽層的材料是不導(dǎo)電的鐵氧體。
已知的屏蔽層的缺點(diǎn)在于，其不能完全屏蔽相對(duì)強(qiáng)的干擾磁場(chǎng)，例如幾十kA/m的磁場(chǎng)，因?yàn)榇藭r(shí)鐵氧體屏蔽層已經(jīng)磁飽和。一旦屏蔽層進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，磁場(chǎng)便通過(guò)屏蔽層透過(guò)，因此，在存儲(chǔ)元件中存儲(chǔ)的磁方向可被翻轉(zhuǎn)，因而非易失存儲(chǔ)器被擦除。幾kA/m的弱磁場(chǎng)便足以擦除存儲(chǔ)元件。
在某種應(yīng)用中，例如智能卡中，磁存儲(chǔ)器必須被保護(hù)防止至少80kA/m的干擾磁場(chǎng)。利用已知的屏蔽層防止這樣強(qiáng)的外部磁場(chǎng)是不可能的。
另一個(gè)缺點(diǎn)在于，已知的屏蔽層當(dāng)干擾磁場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)必須較厚。存儲(chǔ)器通常被提供在硅半導(dǎo)體襯底上。在半導(dǎo)體技術(shù)中，使用薄膜技術(shù)生成多層。厚度超過(guò)10微米的屏蔽層是非常昂貴的，這是因?yàn)槠湫枰L(zhǎng)的淀積時(shí)間。
本發(fā)明的目的在于提供一種開(kāi)頭一節(jié)所述的磁存儲(chǔ)器，其被屏蔽防止幾百kA/m的相對(duì)強(qiáng)的干擾磁場(chǎng)。
在按照本發(fā)明的磁存儲(chǔ)器中，所述目的通過(guò)把屏蔽層分裂成相互分開(kāi)的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了。
由于足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)而使磁層成為飽和的。因?yàn)樵诎凑毡景l(fā)明的存儲(chǔ)器中的屏蔽層被分裂成相互分開(kāi)的區(qū)域，使得磁場(chǎng)可以在區(qū)域之間散開(kāi)。在屏蔽層的磁區(qū)域中，磁場(chǎng)的磁力線被拉入磁材料中。在這些區(qū)域的磁力線的密度相對(duì)于連續(xù)的磁層而減少，因此使得較慢地發(fā)生磁化的飽和，從而和相同厚度的連續(xù)的屏蔽層相比，可以屏蔽較強(qiáng)的磁場(chǎng)。
最好是，每個(gè)存儲(chǔ)元件，除去磁材料的第一層之外，還包括磁材料的第二層，其由非磁材料和所述第一層磁材料分開(kāi)，這是因?yàn)?，在這種存儲(chǔ)元件中發(fā)生這樣的磁阻效應(yīng)，所述磁阻效應(yīng)超過(guò)在只包括一層磁材料的存儲(chǔ)元件中發(fā)生的磁阻效應(yīng)。
自旋閥和磁隧道結(jié)包括這種層包，并且當(dāng)磁場(chǎng)弱時(shí)它們用作磁存儲(chǔ)元件是有利的。在其最基本的形式中，自旋閥是由軟磁層構(gòu)成的3層結(jié)構(gòu)，其中由于相對(duì)弱的磁場(chǎng)、硬磁層和夾在其間的貴金屬而使磁化改變。在一種磁隧道結(jié)中，兩個(gè)磁層被一個(gè)電絕緣層分開(kāi)。因?yàn)樵谧孕y和磁隧道結(jié)中的磁阻效應(yīng)相當(dāng)大，它們非常適合用于磁存儲(chǔ)元件。
屏蔽層的所述區(qū)域的位置最好這樣設(shè)置，使得區(qū)域在存儲(chǔ)元件上的垂直投影包括至少一個(gè)存儲(chǔ)元件。當(dāng)存儲(chǔ)元件的尺寸處于亞微型的范圍內(nèi)時(shí)，使在存儲(chǔ)元件上的屏蔽層的區(qū)域的垂直投影包括多個(gè)存儲(chǔ)元件是有利的，這使得屏蔽區(qū)域的尺寸可以被容易地實(shí)現(xiàn)，并且一般地說(shuō)，對(duì)屏蔽效果也具有有利的影響。
為了在存儲(chǔ)元件的位置提供足夠的屏蔽防止磁場(chǎng)的干擾，有兩個(gè)條件必須滿足。
第一，屏蔽層的材料的磁化作用必須保持在飽和值以下。在飽和值以上時(shí)，磁場(chǎng)將穿過(guò)所述材料。如果相對(duì)于區(qū)域的尺寸w在存儲(chǔ)元件和屏蔽層之間的距離小，例如0.5或更小，則磁化M由M＝Happ1x/(1+xt/w)給出，其中Happ1是外部干擾磁場(chǎng)，x是磁化系數(shù)，t是屏蔽層的厚度。磁區(qū)域可以是任意的形狀。一般地說(shuō)，磁區(qū)域例如是矩形、方形、圓形或者六邊形的。此時(shí)區(qū)域的尺寸分別相應(yīng)于長(zhǎng)度和寬度，直徑或?qū)蔷€。首先，充分的屏蔽要求滿足方程t/w＞Happ1/Ms-1/x，其中Ms是磁化的飽和值。如果這個(gè)方程不滿足，則屏蔽層會(huì)飽和。
因此，容易理解，由于厚度為t的屏蔽層被分裂成多個(gè)區(qū)域，區(qū)域的尺寸w比通過(guò)磁存儲(chǔ)器的表面連續(xù)延伸的屏蔽層的尺寸w’小得多，使得在發(fā)生磁化飽和因而磁場(chǎng)可以穿過(guò)之前的干擾磁場(chǎng)大約大w’/w倍。
因而，當(dāng)屏蔽層被分為多個(gè)區(qū)域時(shí)，從屏蔽干擾磁場(chǎng)的觀點(diǎn)看來(lái)，也可以選擇屏蔽層的厚度小于未分割時(shí)的屏蔽層的厚度。
第二，需要使屏蔽層的區(qū)域能夠充分地衰減干擾磁場(chǎng)，使得在存儲(chǔ)元件中的磁化方向不會(huì)顛倒。在飽和值之下，在磁存儲(chǔ)元件的位置的磁場(chǎng)由H＝Happ1/(1+xt/w)給出。如果滿足公式t/w＞Happ1/(Hx)-1/x，則干擾磁場(chǎng)Happ1被衰減為比在磁存儲(chǔ)元件的位置的磁場(chǎng)小得多的值H。
因而，為了充分地屏蔽每個(gè)存儲(chǔ)元件，必須滿足公式t/w＞Happ1/Ms-1/x和t/w＞Happ1/(Hx)-1/x。因而，最好是比值t/w盡可能大。
例如，如果滿足公式t/w＞100/(1*x)-1/x，則在存儲(chǔ)元件的位置的100kA/m的干擾磁場(chǎng)Happ1被衰減為1kA/m的小得多的磁場(chǎng)H。例如FeNi磁層具有相當(dāng)大的磁化系數(shù)，例如1000。結(jié)果，屏蔽層的厚度對(duì)每個(gè)區(qū)域的尺寸的比大于0.1∶1。顯然，當(dāng)t/w的比值被選擇得較小時(shí)，干擾磁場(chǎng)被衰減較小。因此，如果t/w＞0.01則是有利的。
最好是，屏蔽層的厚度比存儲(chǔ)元件的厚度大得多，例如10倍，使得確保外部干擾磁場(chǎng)的磁力線的最大部分通過(guò)屏蔽層，而不通過(guò)存儲(chǔ)元件。
屏蔽層的材料最好具有盡可能大的磁化系數(shù)，例如大于100。最好是，所述材料也具有高的磁飽和值，例如大于800kA/m。
磁區(qū)域影響存儲(chǔ)器的讀和寫(xiě)。為了讀寫(xiě)磁存儲(chǔ)元件，通過(guò)同時(shí)發(fā)出通過(guò)字線和位線的電流而產(chǎn)生本地磁場(chǎng)。屏蔽層的磁區(qū)域把本地磁場(chǎng)集中在磁存儲(chǔ)元件中。通過(guò)相當(dāng)大的電流的字線最好位于屏蔽層的區(qū)域和磁存儲(chǔ)元件之間。結(jié)果，區(qū)域的磁材料減少用于讀寫(xiě)磁存儲(chǔ)器所需的電流的數(shù)量。
磁存儲(chǔ)器可以和半導(dǎo)體IC集成在一起。所述IC可以包括具有半導(dǎo)體器件的硅襯底。半導(dǎo)體器件例如是二極管，雙極晶體管或MOS晶體管。一般地說(shuō)，磁存儲(chǔ)器被提供在半導(dǎo)體器件上。所述半導(dǎo)體器件借助于金屬軌跡和磁存儲(chǔ)器相連。存儲(chǔ)器能夠和在硅襯底中的半導(dǎo)體器件構(gòu)成的電子電路通信。電子電路的操作可能受到寄生電容的不利影響。和襯底組合的導(dǎo)電的磁材料的連續(xù)的屏蔽層產(chǎn)生相當(dāng)大的寄生電容。所述相當(dāng)大的寄生電容極大地限制了IC的速度。當(dāng)屏蔽層被分成多個(gè)區(qū)域時(shí)，屏蔽層的總的寄生電容被大大減少，因而改善了電路在高頻下例如Ghz范圍內(nèi)的操作。
一個(gè)附加的優(yōu)點(diǎn)在于，屏蔽層的所述區(qū)域可以用這種方式排列在半導(dǎo)體IC的上方，使得在IC中的半導(dǎo)體器件被屏蔽而不受UV光和輻射的影響。
如果屏蔽層的區(qū)域位于IC的頂部，由于屏蔽層的屏蔽區(qū)域是不透明的，所述IC最好利用光學(xué)方法防止被視為相同的。此外，屏蔽區(qū)域的材料例如利用刻蝕方法除去是困難的，因而使得進(jìn)行芯片的逆向工程困難得多。
按照本發(fā)明的磁存儲(chǔ)器的這些和其它的方面由下面進(jìn)行的實(shí)施例的說(shuō)明可以清楚地看出。
在附圖中

圖1示意地表示磁存儲(chǔ)元件和屏蔽層的區(qū)域的實(shí)施例；圖2表示包括自旋閥和屏蔽區(qū)域的結(jié)構(gòu)的磁存儲(chǔ)元件；圖3表示包括磁隧道結(jié)陣列的磁存儲(chǔ)器的一個(gè)實(shí)施例；以及圖4是和半導(dǎo)體IC集成在一起的磁存儲(chǔ)器的實(shí)施例的示意的截面圖。
圖1所示的磁存儲(chǔ)器1包括存儲(chǔ)元件的陣列2。每個(gè)存儲(chǔ)元件3包括至少一層磁材料4。
以其最基本的形式，存儲(chǔ)元件3的操作基于磁材料中的各向異性的磁阻效應(yīng)(AMR)。
當(dāng)在磁導(dǎo)體中的電阻由電流和其磁化之間的角度確定時(shí)，則發(fā)生各向異性的磁阻效應(yīng)(AMR)。如果電流和磁化的方向相同，則電阻最高；如果電流和磁化相互成直角，則電阻最低。其差一般為2％到4％。
當(dāng)磁阻效應(yīng)較大時(shí)，存儲(chǔ)元件3能夠較好地操作。
通過(guò)在非均勻的磁系統(tǒng)例如在磁和非磁金屬層的層疊體中自旋相關(guān)的分散作用，可以實(shí)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)(GMR)。如果各個(gè)磁層的磁化通過(guò)施加外部磁場(chǎng)沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)換，則發(fā)生一種具有一個(gè)特定的自旋方向的電子的短路。結(jié)果，如果磁化沿平行方向延伸，則電阻小于在磁化方向是反平行方向時(shí)的電阻。結(jié)果，在室溫下，在多層中的電阻一般現(xiàn)象上減少到大約40-60％。但是，為切斷自發(fā)的磁耦合所需的磁場(chǎng)是相當(dāng)大的，一般為幾百kA/m。
能夠在小的磁場(chǎng)下工作的存儲(chǔ)元件是自旋閥和磁隧道結(jié)。這些存儲(chǔ)元件的特征在于，磁材料的第二層和第一層由非磁材料分開(kāi)。
磁存儲(chǔ)元件還可以由鐵磁體和半導(dǎo)體混合構(gòu)成。鐵磁體的邊緣效應(yīng)的磁場(chǎng)足以在半導(dǎo)體中引起霍耳效應(yīng)。霍耳電壓可以是正的或負(fù)的，即分別代表0或1。
磁存儲(chǔ)器的屏蔽層14被分成多個(gè)被隔開(kāi)的區(qū)域5。區(qū)域5可以是任意的形狀。屏蔽區(qū)域5最好位于離開(kāi)磁存儲(chǔ)元件3一個(gè)盡可能小的距離8的位置。通過(guò)在存儲(chǔ)元件3的任一側(cè)上提供屏蔽區(qū)域5可以實(shí)現(xiàn)更好的屏蔽效果。在有關(guān)的實(shí)施例中，屏蔽區(qū)域9的尺寸被這樣確定，使得磁屏蔽區(qū)域5在存儲(chǔ)元件上的垂直投影包括一個(gè)存儲(chǔ)元件3。如果磁屏蔽區(qū)域5的材料是好的電絕緣體，例如在鐵氧體的情況下，則屏蔽區(qū)域5可以被直接提供在存儲(chǔ)元件3上。如果屏蔽區(qū)域5的材料是導(dǎo)電的，則最好在存儲(chǔ)元件3和磁區(qū)域5之間提供例如由AlOx，SiO2或Si3N4制成的絕緣材料的薄層。為了在可能的范圍屏蔽存儲(chǔ)元件3，區(qū)域5的材料最好具有大的磁化率。例如使用NiFe，CoNbZr，F(xiàn)eSi，F(xiàn)eAISi可以達(dá)到1000的磁化率值。
區(qū)域5的厚度為10，其一般比磁存儲(chǔ)元件11的厚度大得多，從而使磁區(qū)域5作為外部干擾磁場(chǎng)的一種短路。
在圖2中，和圖1相應(yīng)的部分用相同的標(biāo)號(hào)表示。圖2表示包括自旋閥和屏蔽區(qū)域5的一種可能的結(jié)構(gòu)的磁存儲(chǔ)元件3。
在所示的實(shí)施例中，自旋閥3是一種3層的結(jié)構(gòu)，其包括例如CoFe的第一硬磁層4，例如只需要小的磁場(chǎng)便能改變磁化的NiFe的第二較軟的磁層6，和被夾在其間的例如Cu的非磁金屬層7。每層的厚度一般為1至10nm。層的磁化方向可以這樣設(shè)置，使得相互平行或反平行。在這個(gè)實(shí)施例中，字線18和位線16用于在選擇的磁存儲(chǔ)元件3中的第一層中寫(xiě)入磁化方向并用于從存儲(chǔ)元件3中讀出存儲(chǔ)的磁化方向。字線18位于磁區(qū)域5和磁存儲(chǔ)元件3之間。借助于通過(guò)字線18發(fā)送相當(dāng)大的電流，同時(shí)通過(guò)位線16發(fā)送例如1mA的電流，使得第一相對(duì)硬的磁層的磁化被定向。使用一個(gè)電流脈沖序列讀出1位，或者換句話說(shuō)，確定第一層4的磁化方向，所述電流脈沖具有較小的幅值，其能夠轉(zhuǎn)換軟磁層6，而不能轉(zhuǎn)換第一硬磁層4。當(dāng)正負(fù)電流脈沖通過(guò)字線18發(fā)送時(shí)，借助于通過(guò)位線16的檢測(cè)電流，測(cè)量存儲(chǔ)元件3的電阻。在這個(gè)處理中，本地磁場(chǎng)大于第二軟磁層6的轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)，而小于硬磁層4的轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)。脈沖序列的第一個(gè)脈沖將軟磁層6的磁化置于一個(gè)確定的開(kāi)始位置。在第二個(gè)脈沖期間電阻改變的符號(hào)表示在硬磁層4中的信息是0或是1。對(duì)于存儲(chǔ)的0，脈沖序列例如相應(yīng)于磁化的反平行到平行的方向，此時(shí)電阻從高到低改變。在室溫下，電阻差一般是4到18％。
在圖3中，和圖1，圖2相同的部分用相同的標(biāo)號(hào)表示。圖3表示包括磁隧道結(jié)3的陣列2的磁存儲(chǔ)器1的一個(gè)可能的實(shí)施例。在磁隧道結(jié)3中，例如CoFe的厚度為幾納米的兩個(gè)鐵磁層4，6被絕緣層7分開(kāi)。絕緣層的厚度是1-2nm，例如由Al2O3制成。通過(guò)在其間包括金屬氧化物7的磁層的夾層上施加一個(gè)小的電壓，電子可以通過(guò)絕緣層7穿過(guò)。穿過(guò)的幾率取決于兩個(gè)磁層4，6的磁方向如果兩者的磁方向相互平行，則穿過(guò)的幾率較大，在室溫下，電阻差一般為20-40％。在圖3所示的實(shí)施例中，屏蔽區(qū)域5在4個(gè)存儲(chǔ)元件3的上方延伸。從存儲(chǔ)元件3到屏蔽層14的距離小于區(qū)域9的尺寸。在磁屏蔽區(qū)域5中，必須不發(fā)生由磁場(chǎng)引起的磁化的飽和。
充分的屏蔽要求t/w＞Happ1/Ms-1/x和t/w＞(Happ1/H-1)x-1。在實(shí)際上，Happ1的值是80kA/m，對(duì)于NiFe，磁化的飽和值Ms＝800kA/m，x＝1000，在磁存儲(chǔ)元件3的位置，磁場(chǎng)H＝0.8kA/m，達(dá)到了t/w＞0.1的值。
在圖4中，和圖1，圖2，圖3相應(yīng)的部分用相同的標(biāo)號(hào)表示。圖4是和半導(dǎo)體IC12集成的存儲(chǔ)器1的一個(gè)實(shí)施例的示意的截面圖。硅襯底13包括半導(dǎo)體器件，例如二極管，雙極晶體管，MOS器件，或者這些器件的組合。
磁存儲(chǔ)器1被設(shè)置在半導(dǎo)體器件的上方，并通過(guò)金屬軌跡15和所述半導(dǎo)體器件相連。半導(dǎo)體器件能夠以電子方式轉(zhuǎn)換磁存儲(chǔ)元件3。在這個(gè)實(shí)施例中，MOS晶體管14和磁存儲(chǔ)器1的位線16相連。第二MOS晶體管17選擇磁存儲(chǔ)器1的字線18。磁存儲(chǔ)器1可以被制造在硅襯底13內(nèi)或所述襯底上的電子電路控制。
權(quán)利要求
1.一種包括磁存儲(chǔ)元件陣列(2)的存儲(chǔ)器(1)，每個(gè)磁存儲(chǔ)元件(3)包括至少一層磁材料(4)，所述存儲(chǔ)器設(shè)置有屏蔽層(14)，用于屏蔽磁場(chǎng)，其特征在于，所述屏蔽層(14)被分成相互隔開(kāi)的區(qū)域(5)。
2.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器(1)，其特征在于，每個(gè)存儲(chǔ)元件(3)包括第二層磁材料(6)，其借助于非磁材料(7)和第一層磁材料(4)隔開(kāi)。
3.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器(1)，其特征在于，區(qū)域(5)在所述存儲(chǔ)元件(2)上的垂直投影包括至少一個(gè)存儲(chǔ)元件(3)。
4.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器(1)，其特征在于，所述存儲(chǔ)元件(3)位于離開(kāi)屏蔽層(13)的一個(gè)小于區(qū)域(5)的尺寸(9)的一個(gè)距離(8)的位置。
5.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器(1)，其特征在于，所述區(qū)域的厚度(10)和每個(gè)區(qū)域(5)的尺寸(9)之間的比大于0.01∶1。
6.如權(quán)利要求5所述的磁存儲(chǔ)器(1)，其特征在于，所述區(qū)域的厚度(10)和每個(gè)區(qū)域(5)的尺寸(9)之間的比大于0.1∶1。
7.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器(1)，其特征在于，所述區(qū)域(5)的厚度(10)超過(guò)磁存儲(chǔ)元件(3)的厚度(11)。
8.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器(1)，其特征在于，所述區(qū)域(5)的材料具有大于100的磁化率。
9.如權(quán)利要求8所述的磁存儲(chǔ)器(1)，其特征在于，所述區(qū)域(5)的材料具有大于800kA/m的磁飽和值。
10.如權(quán)利要求2所述的磁存儲(chǔ)器(1)，其特征在于，字線(18)位于區(qū)域(5)和存儲(chǔ)元件(3)之間。
11.如權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)器(1)，其特征在于，磁存儲(chǔ)器和半導(dǎo)體IC(12)集成在一起。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于屏蔽磁存儲(chǔ)器防止外部磁場(chǎng)的干擾。磁存儲(chǔ)器(1)包括磁存儲(chǔ)元件的陣列(2),每個(gè)磁存儲(chǔ)元件(3)包括至少一層磁材料(4)。磁存儲(chǔ)元件(3)的操作基于磁阻效應(yīng)。存儲(chǔ)器(1)利用屏蔽層(4)被保護(hù)防止外部強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾,屏蔽層(14)被分成覆蓋存儲(chǔ)元件(3)的區(qū)域(5)。因?yàn)橛善帘螌?4)的區(qū)域(5)產(chǎn)生的外部磁場(chǎng)的大的衰減,所以存儲(chǔ)器(1)不會(huì)被外部強(qiáng)磁場(chǎng)擦除。
文檔編號(hào)H01L27/105GK1388972SQ01802437
公開(kāi)日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2001年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月23日
發(fā)明者K·-M·H·倫斯森, J·J·M·魯格羅克 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司