專利名稱：其存儲單元具有串聯(lián)的磁隧道結(jié)和隧道結(jié)的存儲器件的制作方法
相關(guān)的申請共同受讓人的以下申請可能包含一些共同的公開內(nèi)容并可能與本發(fā)明有關(guān)美國專利申請第 號，名稱為“具有雙隧道結(jié)存儲器單元的存儲器件”(代理人案件目錄No.HP 10015672-1)。
非易失性存儲器通常具有一次性可編程(OTP)或可重復(fù)編程的存儲單元?？芍貜?fù)編程的存儲單元可在二進(jìn)制狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。而OTP存儲單元一旦已編程，其狀態(tài)就恒定不變。OTP存儲器件一般可以歸類為熔絲、反熔絲、電荷存儲器、或掩模只讀存儲器(mask ROM)中的一種。
熔絲存儲單元的編程是在編程時在單元上加電壓使該單元“燒斷”。熔絲存儲單元的二進(jìn)制狀態(tài)用在讀出過程中測量的單元電阻來檢測。傳統(tǒng)的熔絲存儲器件具有低的陣列密度，因為每個熔絲元件所需的接觸區(qū)域占了襯底的很大面積。傳統(tǒng)的熔絲存儲器件還常含有隔離元件，例如二極管或晶體管，這就更增加了存儲單元的尺寸。隔離二極管和晶體管的電流能力有限，會因?qū)θ劢z存儲單元進(jìn)行編程所需的電流而損壞。此外，隔離二極管和晶體管通常是有源硅基元件，很容易在硅晶體襯底上形成。這類隔離元件可能妨礙多層熔絲OTP陣列的堆疊，從而降低了可能的器件容量。硅基隔離元件，例如微晶和非晶二極管和晶體管，也可允許堆疊，但增加了制造的復(fù)雜性和成本。
傳統(tǒng)的反熔絲存儲單元常包括金屬—電介質(zhì)—金屬的疊堆。傳統(tǒng)的反熔絲存儲單元的編程是在單元上加寫入電位。寫入電位觸發(fā)該反熔絲，降低了已編程單元的電阻。傳統(tǒng)的反熔絲存儲單元具有許多和熔絲/晶體管單元相同的缺點。例如，傳統(tǒng)的反熔絲存儲單元可能需要硅基隔離元件，這就降低了陣列密度。
普通的傳統(tǒng)電荷存儲存儲器是EPROM。EPROM存儲器利用Fowler-Nordheim隧道效應(yīng)把電荷從襯底上轉(zhuǎn)移到存儲單元的浮動?xùn)艠O上。EPROM存儲器需要大的寫入電壓，且EPROM器件的寫入速度受隧穿電流密度的限制。
掩模ROM存儲器是在制造時編程的、而不是在用戶處編程(現(xiàn)場編程)的。因此，每批掩模ROM器件都是專用的。在大多數(shù)制造過程中，節(jié)約成本是靠增加產(chǎn)量來實現(xiàn)的。所以，為使掩模ROM的生產(chǎn)能成本低廉，對某一專用存儲器必須有大量的需求。這種大規(guī)模過程的要求使掩模ROM對許多應(yīng)用而言都太昂貴了。
因此需要一種低成本的能夠高密度排列存儲單元的存儲器。也需要一種不需要過量處理功率的存儲器件。

發(fā)明內(nèi)容
按照第一方面，一種存儲器件包括具有與隧道結(jié)串聯(lián)的磁隧道結(jié)的雙隧道結(jié)存儲單元。磁隧道結(jié)在寫入操作時從第一電阻狀態(tài)改變?yōu)榈诙娮锠顟B(tài)。磁隧道結(jié)具有與隧道結(jié)不同的電阻—電壓特性，這種不同的電阻—電壓特性允許在寫入操作時熔斷磁隧道結(jié)而不熔斷隧道結(jié)。磁隧道結(jié)可以起反熔絲的作用、使得熔斷磁隧道結(jié)造成磁隧道結(jié)短路。存儲單元的這種結(jié)果電阻變化在讀出操作中可檢測到。
按照第一方面，當(dāng)磁隧道結(jié)被熔斷時，隧道結(jié)可以為編程的存儲單元提供隔離功能。所以，不需要硅基的隔離二極管和/或晶體管來隔離存儲器件中的存儲單元。故存儲器件可以包括存儲元件的一些堆疊層，增加了器件容量。
按照第一方面，該存儲單元比傳統(tǒng)的具有二極管/晶體管隔離元件的存儲單元要小些。這就可增加陣列密度。沒有二極管/晶體管隔離元件也簡化了存儲器件的制造。
按照第二方面，可以通過在存儲單元上加寫入電流或?qū)懭腚妷簛韺x擇的存儲單元進(jìn)行編程。在施加寫入電流或?qū)懭腚妷簳r，磁隧道結(jié)的電阻比隧道結(jié)的電阻下降得較為緩慢。
按照第二方面，由于磁隧道結(jié)的電阻較高，所以在磁隧道結(jié)兩端形成了較高的電壓。由于隧道結(jié)的電阻比磁隧道結(jié)的電阻下降得快，所以存儲器上的大部分電壓加在磁隧道結(jié)兩端?？梢韵鄳?yīng)地這樣選擇寫入電壓或電流、使得磁隧道結(jié)兩端相對較高的電壓大于磁隧道結(jié)的擊穿電壓，而隧道結(jié)兩端相對較低的電壓不超過隧道結(jié)的擊穿電壓。
按照第三方面，隧道結(jié)和磁隧道結(jié)的擊穿電壓和電阻—電壓特性可以根據(jù)形成隧道結(jié)和磁隧道結(jié)所用的材料來確定。
按照第三方面，由于改變形成隧道結(jié)的具體材料比較容易，所以簡化了存儲單元的制造。
按照第四方面，可以用傳統(tǒng)的例如淀積和濺射等工藝來制造存儲單元。
按照第四方面，可以以比較低的成本來制造存儲器件。
從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說明可以明白其他的方面和優(yōu)點。


圖1是具有雙隧道結(jié)存儲單元130的存儲器陣列100的透視示意圖。在存儲器陣列100中，字線110沿水平行延伸，而位線120沿垂直列延伸。字線110與位線120相交在存儲單元130處。每個存儲單元130可以存儲一個二進(jìn)制狀態(tài)或是“1”或是“0”。在圖1中，雙隧道結(jié)存儲單元130象征性的表示為兩個電阻元件。每個電阻元件對應(yīng)于存儲單元130中一個隧道結(jié)。
圖2是包括圖1所示的存儲器陣列100的存儲器件10的示意圖以及關(guān)聯(lián)的讀出/寫入電路。存儲器件10包括連接到存儲器陣列100中1-6行的行解碼器300；連接到存儲器陣列100中1-7列的列解碼器400；以及在讀出過程中檢測存儲單元130的二進(jìn)制狀態(tài)的讀出放大器500。圖2示出6行字線110和7列位線120，相交在42個存儲器單元130，這僅是為了說明。實際上可以使用具有1024×1024個或更多存儲單元的陣列。
行解碼器300包括多個開關(guān)，用來在寫入過程中把或者編程寫入電壓Vw或者寫入電流Iw加到包含所選擇的存儲單元130的行，或者在讀出過程中加讀出電位Vr。同理，列解碼器400可包括有多個開關(guān)，用來在寫入過程中將包含所選擇的存儲單元130的所選擇的列接地，或者在讀出過程中將所選擇的列連接到讀出放大器500。
要對所選擇的存儲單元130編程、即“寫入”時，行解碼器300將寫入電壓Vw或?qū)懭腚娏鱅w與所選擇的列中的行線110之間的開關(guān)接通，而列解碼器400接通地與所選擇的列中的位線120之間的開關(guān)。例如，根據(jù)存儲器陣列100中包含的雙隧道結(jié)存儲單元130的類型或存儲器件所需的工作模式而在寫入電壓Vw和寫入電流Iw之間進(jìn)行選擇。
按照一個實施例，存儲單元130的兩個隧道結(jié)具有不同的電阻電壓特性。這樣選擇所述不同的電阻電壓特性、使得加在所選擇的存儲單元130上的寫入電壓Vw或?qū)懭腚娏鱅w足以擊穿或熔斷所選擇的存儲單元130的第一磁隧道結(jié)、從而改變所選擇的存儲單元130的電阻。寫入電壓Vw和寫入電流Iw不足以熔斷存儲單元130的第二隧道結(jié)。
可以從用于形成隧道結(jié)和磁隧道結(jié)的材料來實現(xiàn)所述不同的擊穿電壓和電阻—電壓特性。具體地說，申請人已觀察到，包括磁性層或“電極”的隧道結(jié)一般在加電壓時其電阻的下降比具有非磁性電極的隧道結(jié)要慢。因此，當(dāng)寫入電壓Vw或?qū)懭腚娏鱅w加在所選擇的存儲單元130上時，磁隧道結(jié)的電阻比隧道結(jié)的電阻下降得慢。在所選擇的實施例中，磁隧道結(jié)的電阻比隧道結(jié)的電阻可能要大比如一個數(shù)量級或更多。可以選擇磁隧道結(jié)兩端的較高電壓降使其超過該磁隧道結(jié)的擊穿電壓、使得該磁隧道結(jié)熔斷而隧道結(jié)不熔斷。
已編程存儲單元130中的隧道結(jié)可基本上保持其寫入前的電阻，并可用作已編程存儲單元130的隔離元件。磁隧道結(jié)在加上寫入電壓Vw或?qū)懭腚娏鱅w后可以是短路狀態(tài)?？梢栽谧x出操作時檢測由短路的磁隧道結(jié)引起的所選擇的存儲單元130的電阻變化。下面詳細(xì)討論存儲單元的實施例和寫入過程。
圖3A是圖1所示存儲器陣列100的一部分的截面圖，包括存儲單元130的一個實施例。圖3B是存儲器陣列100的一部分的頂視圖。圖3C是圖3A所示單個存儲單元130的截面圖。
參閱圖3A和3B，存儲器陣列100的圖示部分包括位于字線110和位線1 20的交點上的多個存儲單元130。字線110和位線120可以用導(dǎo)電材料制成，例如，Al、Au、Ag、Cu、它們的合金以及其他材料。字線110和位線120可以用已知工藝形成，例如濺射和刻蝕工藝。
位線120設(shè)置在存儲器陣列100的襯底132上的絕緣層128之上。絕緣層128可以是例如，SiOx、SiNx、SiOxNy、AlOx、TaOx、TiOx、AlNX以及其他非導(dǎo)電材料。絕緣層128可以用已知的淀積工藝形成，例如化學(xué)汽相淀積(CVD)。襯底132可以是例如半導(dǎo)體襯底。襯底132可以包括電子電路，而絕緣層128提供電路和存儲單元130之間的隔離?；蛘?，位線可直接設(shè)置在襯底132上。
絕緣體125可以設(shè)置在絕緣層128上并且處在存儲單元130之間。絕緣體125在圖3B中未示出。絕緣體125可以是例如，SiOx、SiNx、SiOxNy、AlOx、TaOx、TiOx、AlNX以及其他非導(dǎo)電材料。絕緣體125可以通過例如，淀積工藝形成。
參閱圖3C，存儲單元130包括磁隧道結(jié)134和與磁隧道結(jié)134串聯(lián)的隧道結(jié)136。磁隧道結(jié)可以一般定義為在磁性層之間夾有絕緣體。磁性層可以稱作隧道結(jié)的“電極”或“端子”，可以是鐵磁性的。隧道結(jié)可以一般定義為在導(dǎo)電層之間夾有絕緣體。導(dǎo)電層可以稱作隧道結(jié)的電極或端子。在本文中還討論了另一種具有一層磁性電極的隧道結(jié)的形式。
圖3C所示的磁隧道結(jié)134可以是例如隧道效應(yīng)磁阻(TMR)隧道結(jié)，與自旋有關(guān)的隧道結(jié)(SDT)或其他類型的磁隧道結(jié)。在圖示的實施例中，磁隧道結(jié)是具有鐵磁層的TMR隧道結(jié)。磁隧道結(jié)134包括第一鐵磁層137和第二鐵磁層138。第一和第二鐵磁層137、138由絕緣體140隔離。第二鐵磁層138可以用導(dǎo)電電極142與字線110電連接?；蛘?，電極142可省略，第二鐵磁層138直接連接到字線110。磁隧道結(jié)134也可包括反鐵磁層144和在隧道結(jié)136上的籽晶層146。
第一鐵磁層137可以具有固定的磁化方向，如圖中箭頭所示，第二鐵磁層138可以具有與第一鐵磁層137的磁化平行或逆平行的磁化方向。但是，圖3C所示的磁力方向不是存儲單元130工作所需的。
隧道結(jié)136與磁隧道結(jié)134串聯(lián)，形成雙隧道結(jié)存儲單元130。隧道結(jié)136包括絕緣體148；將絕緣體148連接到位線120的第一導(dǎo)體150；以及絕緣體148和磁隧道結(jié)134之間的第二導(dǎo)體152?；蛘?，可以將第一導(dǎo)體150省略，而將絕緣體148直接連接到導(dǎo)電位線120上。第一和第二導(dǎo)體150、152可以是非磁性導(dǎo)體。
磁隧道結(jié)134的電阻—電壓特性與隧道結(jié)136不同。在加有電壓時磁隧道結(jié)134的電阻比隧道結(jié)降得慢。因此，當(dāng)寫入電壓Vw或?qū)懭腚娏鱅w加在所選擇的存儲單元130上時，磁隧道結(jié)134的電阻比隧道結(jié)136的電阻下降得慢。磁隧道結(jié)134和隧道結(jié)136的示范電阻值示于圖4。
圖4是隧道結(jié)134、136的電阻R1和R2分別與隧道結(jié)134、136上電壓的關(guān)系曲線。在圖4中，磁隧道結(jié)134具有NiFe磁性層或電極以及AlO(2)絕緣體。隧道結(jié)134包括Al導(dǎo)體或電極以及AlO(1.25)絕緣體。
如圖4所示，磁隧道結(jié)134的電阻—電壓(R-V)曲線下降得比隧道結(jié)136的R-V曲線要慢。這種特性可用來在寫入電壓Vw或?qū)懭腚娏鱅w加在所選擇的存儲單元130上時獲得磁隧道結(jié)134上較高的電壓降。所以，對所選擇的存儲單元130進(jìn)行編程、即寫入時，只要加上計算好的寫入電壓Vw或?qū)懭腚娏鱅w，使磁隧道結(jié)134上產(chǎn)生大于其擊穿電壓VB1的電壓降V1，而在隧道結(jié)136上產(chǎn)生不超過其擊穿電壓VB2的電壓降V2即可。
寫入過程可以結(jié)合當(dāng)寫入電壓Vw加在所選擇的存儲單元130上時產(chǎn)生的電壓來說明。寫入電壓Vw可以由加在所選擇的存儲單元130上的恒定電流Iw產(chǎn)生，或者，可以把寫入電壓Vw直接加在所選擇的存儲單元130上。
如果施加寫入電流Iw，按以下方程確定電壓V1和V2(1)V1＝Iw·R1(2)V2＝Iw·R2式中V1為磁隧道結(jié)134上的電壓降；V2為隧道結(jié)136上的電壓降；R1為磁隧道結(jié)134的電阻；R2隧道結(jié)136的電阻。
如V1和V2的方程所示，電阻R1和R2決定了磁隧道結(jié)134和隧道結(jié)136上的電壓。R1和R2的值隨隧道結(jié)134、136上的電壓增加而改變，可以用實驗或模擬方法求出。具體的V1和V2值列于表1。
再參閱圖4，電阻R1和R2最初(即未加電壓時)可以具有類似或相同的值。如果利用寫入電流Iw對存儲單元進(jìn)行編程，那么，所述寫入電流Iw在磁隧道結(jié)134和隧道結(jié)136上分別形成電壓V1和V2。圖4中，磁隧道結(jié)134的擊穿電壓VB1大約為1.9伏。隧道結(jié)的擊穿電壓VB2也大約為1.9伏。但是，由于在加有電壓Vw的情況下，磁隧道結(jié)134的電阻R1比隧道結(jié)136上的電阻R2高得多，所以寫入電流Iw可使電壓V1(此處V1＝Iw·R1)超過VB1，而電壓V2(此處V2＝Iw·R2)遠(yuǎn)低于VB2。
利用寫入電流Iw對存儲單元130進(jìn)行編程的優(yōu)點在于，一旦磁隧道結(jié)134熔斷，隧道結(jié)136上的電壓基本保持不變。此特征使得不再需要對利用寫入電流Iw來編程所選擇的存儲單元130進(jìn)行仔細(xì)的定時。
如圖4所示，在磁隧道結(jié)134的擊穿電壓VB1附近，電阻R1大約比電阻R2高一個數(shù)量級。因此電壓V2遠(yuǎn)低于VB2，減少了在寫入操作時無意地使隧道結(jié)136燒穿的可能性。
如果用寫入電流Iw來對存儲單元130進(jìn)行編程，電壓V1和V2可按下列方程確定(3)Vw＝V1+V2(4)V1=Vw·R1R1+R2]]>(5)V2=Vw·R2R1+R2]]>(6)I=VwR1+R2]]>式中，I為通過存儲單元130的電流。
由于在加有寫入電壓Vw時，電阻R1比電阻R2高很多，所以磁隧道結(jié)134上的電壓V1比隧道結(jié)136上的電壓V2也高得多。因此，即使擊穿電壓VB1和VB2差不多，V1超過VB1也在V2過VB2之前。
圖5是關(guān)于圖4所示的存儲單元實施例數(shù)據(jù)的隧道電流與所加電壓的關(guān)系曲線。如果在存儲單元130上加大約1.4伏的寫入電流Iw，在存儲單元130上就會形成3.2伏的電壓。結(jié)果，隧道結(jié)(TJ)136上的電壓V2約為1.3伏，而磁隧道結(jié)(MTJ)134上的電壓V1約為1.9伏。電壓V1使磁隧道結(jié)134擊穿。當(dāng)磁隧道結(jié)134擊穿時，隧道結(jié)136上的電壓基本不變。
如果在存儲單元130上加寫入電壓Vw，則存儲單元130兩端的電壓Vw分到磁隧道結(jié)134和隧道結(jié)136上。如果寫入電壓Vw大約為3.2伏，則V1和V2可由上述方程3-6求出。此時，V1約為1.9伏，V2約為1.3伏，使磁隧道結(jié)134擊穿。在此情況下，提供寫入電壓Vw的電壓源最好是限流的。這樣就可以選擇電壓源所提供的電流，使磁隧道結(jié)134擊穿時隧道結(jié)136不被破壞。
結(jié)合以下實例討論上述實施例的操作。
實例1參閱圖3C，存儲單元130包括第一磁隧道結(jié)134。磁隧道結(jié)134具有NiFe的第一鐵磁層137和NiFe的第二鐵磁層138。鐵磁層137、138的厚度約為4nm。絕緣體140是AlO，厚度約為2.5nm。反鐵磁層144由IrMn制成，厚度大約為10nm。籽晶層144由NiFe和Ta制成，厚度大約為11nm。
隧道結(jié)136包括Al的第一和第二導(dǎo)體150、152，各厚4nm。絕緣體148由AlO制成，厚度約為1.65nm。
本實施例的R-V曲線示于圖4。磁隧道結(jié)134的電阻R1比隧道結(jié)136的電阻R2下降得要慢。隧道結(jié)134和136的擊穿電壓都是大約1.9伏。在此實例中，可以利用大約3.2伏的寫入電壓Vw對存儲單元130編程。如圖5所示，3.2伏的寫入電壓Vw熔斷了磁隧道結(jié)134，卻沒有熔斷隧道結(jié)136?；蛘哒f，1.4μA的寫入電流Iw熔斷了磁隧道結(jié)134。1.4μA的寫入電流Iw在1.9伏電壓V1時熔斷了磁隧道結(jié)134。磁隧道結(jié)134熔斷時電壓V2為1.3伏。
實例2參閱圖3C，存儲單元130包括類似于實例1的磁隧道結(jié)134。
隧道結(jié)136包括Al的第一導(dǎo)體電極150，厚度約為4nm；以及NiFe的第二鐵磁層152，厚度約為4nm。絕緣體148由AlO制成，厚度約為1.25nm。隧道結(jié)136包括非磁電極150和磁電極152，所以是一種“混合”隧道結(jié)的形式。
本實施例的R-V曲線示于圖6。磁隧道結(jié)134的電阻R1比隧道結(jié)136的電阻R2下降得要慢。
在此實例中，可利用大約3.13伏的寫入電壓Vw對存儲單元130編程。磁隧道結(jié)134的擊穿電壓VB1大約為1.9伏，而隧道結(jié)136的擊穿電壓VB2大約為1.8伏。3.13伏的寫入電壓Vw熔斷了磁隧道結(jié)134。當(dāng)磁隧道結(jié)134熔斷時電壓V1為1.9伏，電壓V2為1.23伏。
或者，1.4μA的寫入電流Iw熔斷了磁隧道結(jié)134。1.4μA的寫入電流Iw在1.9伏的電壓V1時熔斷了磁隧道結(jié)134。在加有1.4μA的寫入電流Iw時電壓V2為1.23伏。
圖7示出另一存儲單元230的實施例。存儲單元230適用于圖2所示的存儲器件10。存儲單元230包括與隧道結(jié)236串聯(lián)的磁隧道結(jié)234。存儲單元230沒有籽晶層和反鐵磁層。
磁隧道結(jié)234包括第一鐵磁層237和第二鐵磁層238。第一和第二鐵磁層237、238被絕緣體240分隔開。第一和第二鐵磁層237、238可以是鐵磁性的。第二鐵磁層238可用電極242電連接到字線210?；蛘?，電極242可省略。
隧道結(jié)236與磁隧道結(jié)234串聯(lián)，形成雙隧道結(jié)存儲單元230。隧道結(jié)236包括絕緣體248；將絕緣體248連接到字線220的第一導(dǎo)體250；以及絕緣體248和磁隧道結(jié)234之間的第二導(dǎo)體252。或者，第一導(dǎo)體250可省略。
圖8示出磁隧道結(jié)334與隧道結(jié)336串聯(lián)的存儲單元330。存儲單元330適用于圖2所示的存儲器件10。
磁隧道結(jié)334包括鐵磁層電極338；鐵磁層電極337；以及絕緣體340。隧道結(jié)336可以是包括導(dǎo)體350和絕緣體348的隧道結(jié)336，并且所述第二隧道結(jié)與所述第一隧道結(jié)共用鐵磁層電極337。
在此實施例中，磁隧道結(jié)334的擊穿電壓比混合式隧道結(jié)336的擊穿電壓低。參閱圖6，隧道結(jié)336具有V-R曲線R2，它具有較低的電阻，且電阻的下降比磁隧道結(jié)334的電阻R1要快。
在上述實施例中，第一隧道結(jié)中第一和第二磁性層的各種材料包括，例如，CoFe、NiFeCo、Co和NiFe。磁性層可用例如濺射工藝形成。隧道結(jié)中的絕緣體可以用電介質(zhì)材料制成，例如，SiOx、SiNx、SiOxNy、AlOx、TaOx、TiOx、AlNx以及其他絕緣材料。絕緣體的厚度大約在例如.5nm到50nm，可以用CVD或其它淀積工藝形成。
反鐵磁層可用例如MnFe和IrMn制成，并可用濺射工藝或其它已知工藝形成。籽晶層可用例如Ta和NiFe制成，并可用濺射或其它工藝形成。
導(dǎo)體可用例如Al、Cu、Ag、Au以及它們的合金制成。導(dǎo)體可用DC或RF濺射淀積工藝或其它工藝形成。
下表總結(jié)了所選擇的存儲單元實施例的實驗電阻和擊穿電壓。加上寫入電流Iw，以便在存儲單元上產(chǎn)生電壓Vc，而使存儲單元熔斷。表中列出的數(shù)值是當(dāng)?shù)竭_(dá)元件1的擊穿電壓VB1時(即當(dāng)所述單元熔斷時)，每個單元中元件1和2的電阻R1和R2以及電壓V1和V2的值。在“TJ OR MTJ IN A CELL”(單元中的隧道結(jié)或磁隧道結(jié))欄下的材料代表用來形成在存儲單元中所用的各存儲元件例如隧道結(jié)或磁隧道結(jié))的材料。所列材料對應(yīng)于電極/絕緣體/電極的順序。
表1

按照上述實施例，存儲器件10不需要諸如二極管或晶體管等有源硅基隔離元件來隔離存儲器陣列100中的存儲單元。存儲器件10因此可包括堆疊的存儲器元件，增加了器件容量。隧道結(jié)可以作得比較小，這進(jìn)一步提高了陣列100可能的陣列密度。
利用磁隧道結(jié)與隧道結(jié)串聯(lián)的另一優(yōu)點是，僅僅由于所用的電極材料不同，就可使磁隧道結(jié)的R-V曲線與隧道結(jié)的R-V曲線大不相同。因此不需要采用復(fù)雜而昂貴的改變存儲單元幾何尺寸的方法就可確保在一個隧道結(jié)兩端的電壓超過擊穿電壓時另一個隧道結(jié)兩端的電壓不超過擊穿電壓。
另一優(yōu)點是存儲單元的元件可以用已知的制造工藝用低成本制造。
參閱圖2，現(xiàn)結(jié)合圖3A-圖3C所示的存儲單元實施例來說明存儲器件10的寫入過程。在以下的說明中，加寫入電流Iw對存儲單元130進(jìn)行編程。
參閱圖2，為了寫入一個選擇的存儲單元130，在與所選擇的存儲單元130交叉的字線110上加寫入電流Iw。加寫入電流Iw時可以接通行解碼器300的一個開關(guān)以便將所選擇的字線110連接到Iw。連接到未選擇的字線110的行解碼器300的開關(guān)都是開路。同時，列解碼器400將與所選擇的存儲單元130交叉的位線120接地。于是，寫入電流Iw流過所選擇的字線110、所選擇的存儲單元130、以及所選擇的位線120到地。連接到未選擇的位線120的開關(guān)都是開路。
寫入電流Iw在所選擇的存儲單元130上產(chǎn)生寫入電壓Vc。電壓Vc等于磁隧道結(jié)134上的電壓V1加上隧道結(jié)136上的電壓V2。參閱圖3C，電壓V1超過了磁隧道結(jié)134的擊穿電壓VB1，并擊穿了所選擇的存儲單元130中的磁隧道結(jié)134。電壓V2沒有超過隧道結(jié)136的擊穿電壓VB2。電壓V1的作用是將導(dǎo)電材料擴(kuò)散到絕緣體140中，從而擊穿了磁隧道結(jié)134。此過程是反熔絲作用。
磁隧道結(jié)134的熔斷將存儲單元130的電阻由第一狀態(tài)改變到第二狀態(tài)，讀出過程可檢測出來。磁隧道結(jié)134熔斷后，反熔絲作用可以將磁隧道結(jié)134的電阻降低例如大約一個數(shù)量級左右。得到的電阻可能接近于零(即短路)。因此，寫入過程之后，存儲單元130的電阻與隧道結(jié)136上的電阻近似。
圖7和圖8所示實施例的寫入過程與上述過程類似。
存儲單元130和330可以設(shè)計成使磁隧道結(jié)包括具有固定磁化方向的磁性層和磁化方向與固定磁化平行或逆平行的另一磁性層。磁隧道結(jié)在逆平行狀態(tài)具有較高的電阻，故在對存儲器陣列100編程前可以將磁隧道結(jié)有利地置于逆平行狀態(tài)。在對存儲器陣列100編程前將磁隧道結(jié)有利地置于逆平行狀態(tài)增加了單元熔斷時電阻的變化。在讀出過程中電阻較大的變化更易于區(qū)別。
可以利用由列解碼器和行解碼器300、400提供的寫入電流將磁隧道結(jié)置于逆平行狀態(tài)，如同在傳統(tǒng)的MRAM的應(yīng)用中一樣?；蛘?，存儲器陣列100可在制造時將器件置于足以設(shè)定逆平行狀態(tài)但又不打亂插銷連接(pinned)層磁化的強磁場中從而將其存儲單元置于逆平行狀。
本說明書中描述的存儲單元實施例也可以對所選擇的存儲單元130加寫入電壓Vw來編程。
在以上寫入過程中，行解碼器300和列解碼器400可以對檢測流經(jīng)所選擇的存儲單元的電流的反饋傳感器(未示出)作出響應(yīng)。反饋傳感器可以指明所選擇的存儲單元的磁隧道結(jié)何時被擊穿，并在那時停止寫入過程。
現(xiàn)參閱圖2討論存儲器件10的讀出過程。存儲器件10可以采用等電位的讀出過程，如授于Tran等人的美國專利6259644中所述，其內(nèi)容已作為參考包括在本文中。以下參考存儲單元130大致說明等電位的讀出過程，但所述過程適用于采用本說明所述的任一存儲單元實施例的存儲器件10。
為了確定所選擇的存儲單元130的二進(jìn)制狀態(tài)(即，讀出)，在對應(yīng)于所選擇的存儲單元130的行的字線110上加讀出電位Vr，對應(yīng)于所選擇的存儲單元130的列的位線120通過列解碼器400連接到讀出放大器500。可以對存儲器陣列100中所有其它的位線120加上相等的電位。讀出放大器500檢測來自所選擇的位線120的電流，以確定所選擇的存儲單元130的二進(jìn)制狀態(tài)。二進(jìn)制狀態(tài)可以用連接到讀出放大器500的輸出的處理裝置(未示出)來檢測，讀出放大器500的輸出表明所選擇的存儲單元130的電阻狀態(tài)?；蛘撸x出放大器500可包括測定二進(jìn)制狀態(tài)的電路，并將二進(jìn)制狀態(tài)輸出給處理裝置。
所選擇的存儲單元130的二進(jìn)制狀態(tài)可以用所選擇的存儲單元130的電阻從高的第一數(shù)值在寫入過程后改變?yōu)榈偷牡诙?shù)值來測定。例如，第一高電阻狀態(tài)使通過存儲單元130的電流較小，代表二進(jìn)制狀態(tài)為“0”。第二低電阻狀態(tài)(熔斷磁隧道結(jié)134之后)使通過存儲單元130的電流較大，代表二進(jìn)制狀態(tài)為“1”。
在寫入過程之后，存儲單元130保持隧道結(jié)136為未短路狀態(tài)。因此，在對所選擇的存儲單元130編程后，存儲器陣列中沒有短路。此隔離作用可允許對多個單元130編程而不影響存儲器陣列100中的讀出和寫入過程。
按照上述實施例，二進(jìn)制狀態(tài)“0”和“1”可以存儲在存儲單元中。寫入前存儲單元的第一高電阻狀態(tài)可對應(yīng)于存儲單元的二進(jìn)制“0”，第二低電阻狀態(tài)可對應(yīng)于存儲單元的二進(jìn)制“1”。不過這種約定是任意的，二進(jìn)制為“0”的賦值可重新賦值為“1”，或其他任何符號值。
在本說明書中，對在存儲器陣列中寫入狀態(tài)“0”和“1”的電流的約定也是任意的，可以重新賦值以適合存儲器件10的所需應(yīng)用。
上述實施例是從將磁隧道結(jié)短路而將存儲單元的電阻從第一高狀態(tài)改變?yōu)榈诙蜖顟B(tài)來進(jìn)行討論的。存儲單元的電阻也可用將導(dǎo)電材料部分?jǐn)U散到磁隧道結(jié)絕緣體上的方法來改變。這稱為“部分熔斷”。磁隧道結(jié)的部分熔斷降低了磁隧道結(jié)的電阻但并不將磁隧道結(jié)短路。導(dǎo)電元件擴(kuò)散到電介質(zhì)上可明顯降低已編程存儲單元的電阻，此電阻的變化可由讀出過程檢測。
在本說明書中，“行”，“列”，“字”和“位”等術(shù)語并不意味存儲器陣列的固定方向。此外，這些術(shù)語也不一定意味正交關(guān)系。
在本說明書中，術(shù)語“層”用來描述存儲單元實施例中的各種元件。術(shù)語“層”并不限于任何具體的厚度，寬度或長寬比。
圖2所示的讀出放大器500是檢測存儲器件10中存儲單元二進(jìn)制狀態(tài)的檢測裝置的一個實例。在實際中，其他讀出裝置，例如互阻抗讀出放大器，電荷注入讀出放大器，差分讀出放大器，數(shù)字差分讀出放大器等，均可使用。圖中示出讀出放大器500來檢測存儲器陣列100中存儲單元的二進(jìn)制狀態(tài)。在實際中，可以將許多讀出裝置連接到存儲器陣列。
存儲器陣列100可以在多種應(yīng)用中使用。一種應(yīng)用是具有存儲模塊的計算裝置。存儲模塊可以包括一個或多個存儲器陣列100用作長期存儲。存儲模塊可以用在諸如便攜式電腦，個人電腦以及服務(wù)器等裝置中。
雖然存儲器裝置10是結(jié)合示范的實施例加以描述的，但是，對本專業(yè)的技術(shù)人員而言，許多改動是一目了然的，本公開的意圖是覆蓋其各種變型。
權(quán)利要求
1.一種存儲單元(130，230，330)，它包括第一隧道結(jié)(134，234，334)；以及與所述第一隧道結(jié)(134，234，334)串聯(lián)的第二隧道結(jié)(136，236，336)，其中所述第一隧道結(jié)(134，234，334)可以從第一電阻狀態(tài)改變到第二電阻狀態(tài)，并且所述第一隧道結(jié)(134，234，334)具有與所述第二隧道結(jié)(136，236，336)不同的電阻—電壓特性。
2.如權(quán)利要求1所述的存儲單元(130，230，330)，其特征在于當(dāng)在所述存儲單元(130，230，330)的兩端產(chǎn)生電壓時所述第一隧道結(jié)(134，234，334)的電阻比所述第二隧道結(jié)(136，236，336)的電阻下降得慢。
3.如權(quán)利要求1所述的存儲單元(130，230，330)，其特征在于所述第一隧道結(jié)(134，234，334)包括兩個磁性層(137，138，237，238，337，338)；以及設(shè)置在所述磁性層(137，138，237，238，337，338)之間的絕緣體(140，240，340)。
4.如權(quán)利要求3所述的存儲單元(130，230，330)，其特征在于所述第二隧道結(jié)(136，236，336)包括與所述第一隧道結(jié)(134，234，334)串聯(lián)的絕緣體(148，248，348)。
5.如權(quán)利要求4所述的存儲單元(130，230)，其特征在于所述第二隧道結(jié)(136，236)包括兩個導(dǎo)體(150，250，152，252)，它們分別設(shè)置在所述絕緣體(148，248)的兩側(cè)。
6.如權(quán)利要求4所述的存儲單元(330)，其特征在于所述第二隧道結(jié)(336)共用所述第一隧道結(jié)(334)的所述磁性層(337)之一。
7.如權(quán)利要求6所述的存儲單元(330)，其特征在于所述第二隧道結(jié)(336)包括導(dǎo)體(350)，并且其中所述絕緣體(340)設(shè)置于所述導(dǎo)體(350)和所述共用的磁性層(337)之間。
8.如權(quán)利要求3所述的存儲單元(130，230，330)，其特征在于所述磁性層(137，138，237，238，337，338)是鐵磁性的。
9.一種存儲單元(130，230，330)，它包括第一隧道結(jié)(134，234，334)，它包括兩個鐵磁層(137，138，237，238，337，338)；以及設(shè)置在所述各鐵磁層(137，138，237，238，337，338)之間的絕緣體(140，240，340)；第二隧道結(jié)(136，236，336)，它包括絕緣體(148，248，348)，以及鄰近所述絕緣體(148，248，348)的至少一個導(dǎo)體(150，152，250，252，350)，其中所述第二隧道結(jié)(136，236，336)與所述第一隧道結(jié)(134，234，334)串聯(lián)。
10.如權(quán)利要求9所述的存儲單元(130，230，330)，其特征在于當(dāng)在所述存儲單元(130，230，330)兩端產(chǎn)生電壓時所述第一隧道結(jié)(134，234，334)的電阻比所述第二隧道結(jié)(136，236，336)的電阻下降得慢。
全文摘要
一種存儲器件(10)包括其磁隧道結(jié)(134，234，334)與隧道結(jié)(136，236，336)串聯(lián)的雙隧道結(jié)存儲單元(130，230，330)。磁隧道結(jié)(134，234，334)在寫入操作時可以從第一電阻狀態(tài)改變?yōu)榈诙娮锠顟B(tài)。磁隧道結(jié)(134，234，334)具有與隧道結(jié)(136，236，336)不同的電阻電壓特性，此不同的電阻電壓特性允許在寫入操作時熔斷磁隧道結(jié)(134，234，334)而不熔斷隧道結(jié)(136，236，336)。磁隧道結(jié)(134，234，334)電阻狀態(tài)的變化改變了所選擇的存儲單元(130，230，330)的電阻，在讀出操作時可檢測這種電阻變化。
文檔編號H01L27/10GK1414559SQ0214694
公開日2003年4月30日 申請日期2002年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月24日
發(fā)明者L·T·特蘭, M·沙馬, T·C·安東尼 申請人:惠普公司