專利名稱：具有不對稱包覆導(dǎo)體的磁隨機(jī)存取存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及磁存儲器件，器件中至少有一個導(dǎo)體包括不對稱覆層。更具體地說，本發(fā)明涉及一種磁存儲器件，其中至少有一個導(dǎo)體包括凹進(jìn)的不對稱覆層，在提供反轉(zhuǎn)磁場增強(qiáng)的同時，將對磁存儲單元的數(shù)據(jù)層的反轉(zhuǎn)特性的不良影響降到最低。
背景技術(shù)：
磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)是一項新興的技術(shù)，可以為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲或存儲器技術(shù)提供替代方案。MRAM具有所需的屬性，比如象DRAM那樣的快速存取時間和象硬盤驅(qū)動器那樣的非易失性數(shù)據(jù)保持。MRAM將一位數(shù)據(jù)(即信息)以可變磁化取向的形式存儲在形成圖案的薄膜磁性元件中，該元件稱為數(shù)據(jù)層、存儲層、自由層或數(shù)據(jù)薄膜。數(shù)據(jù)層設(shè)計為具有定義二進(jìn)制一(“1”)和二進(jìn)制零(“0”)的兩種穩(wěn)定且不同的磁性狀態(tài)。雖然該位數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)層，但需要許多精心控制的磁性和電介質(zhì)薄膜材料層以形成完整的磁性存儲單元。磁性存儲單元的一種重要形式是自旋隧道效應(yīng)器件。自旋隧道效應(yīng)的物理原理復(fù)雜，關(guān)于此主題有好的文章。
在圖1a中，先有技術(shù)的MRAM存儲單元101包括由薄的阻擋層106隔開的數(shù)據(jù)層102和參考層104。阻擋層106的厚度一般在大約2.0nm以內(nèi)。存儲單元101具有寬度W和長度L，并且寬度W和長度L的比率定義了縱橫比(即縱橫比＝W÷L)。在遂穿磁阻存儲器(TMR)中，例如，阻擋層106是諸如氧化鋁(Al2O3)的非導(dǎo)電介質(zhì)材料。而在巨磁阻存儲器(GMR)中，例如，阻擋層106是諸如銅(Cu)的導(dǎo)電材料薄層。參考層104具有受牽制磁化取向108，即，受牽制磁化取向108固定在預(yù)定方向并且不會響應(yīng)外部磁場而旋轉(zhuǎn)。相反，數(shù)據(jù)層102具有可變磁化取向103，它響應(yīng)外部磁場而在兩種取向之間旋轉(zhuǎn)?？勺兇呕∠?03一般與數(shù)據(jù)層102的易磁化軸E對準(zhǔn)。
在圖1b中，受牽制磁化取向108和可變磁化取向103指向同一方向時(即它們彼此并行時)，數(shù)據(jù)層102存儲二進(jìn)制一(“1”)。另一方面，受牽制磁化取向108與可變磁化取向103指向相反方向時(即它們彼此反平行時)，數(shù)據(jù)層102存儲二進(jìn)制零(“0”)。
在圖2a中，先有技術(shù)的存儲單元101一般位于兩個正交導(dǎo)體105和107相交處。例如，導(dǎo)體105可以是字線，而導(dǎo)體107可以是位線。總而言之，導(dǎo)體(105、107)可稱為寫入線。一位數(shù)據(jù)通過產(chǎn)生兩個磁場HX和HY寫入存儲單元101，而這兩個磁場又由分別流入導(dǎo)體107和105的電流IY和IX產(chǎn)生。磁場HX和HY共同與數(shù)據(jù)層102交互作用，將可變磁化取向103從其當(dāng)前取向旋轉(zhuǎn)到新取向。因此，如果當(dāng)前取向與受牽制磁化取向108是平行的(即x軸X上的正X方向)，使得二進(jìn)制“1”存儲在數(shù)據(jù)層102，則磁場HX和HY將可變磁化取向103旋轉(zhuǎn)到反平行方向(即，x軸X上的負(fù)X方向)，使得二進(jìn)制“0”存儲在數(shù)據(jù)層102中。
在圖2a中，說明可變磁化取向103從正X方向旋轉(zhuǎn)到負(fù)X方向的過程。兩個方向均與易磁化軸E對準(zhǔn)。但是，在旋轉(zhuǎn)期間，可變磁化取向103會暫時與難磁化軸H對準(zhǔn)，該軸與y軸Y的正Y方向和負(fù)Y方向?qū)?zhǔn)。
在圖2b中，先有技術(shù)的存儲單元101位于類似存儲單元101的陣列201中，這些類似的存儲單元也位于排列成行和列的多個導(dǎo)體107和105的相交處。為了說明，在圖2b中，導(dǎo)體107是位線而導(dǎo)體105是字線。通過讓電流Iy和Ix流過字線和位線，把一位數(shù)據(jù)寫入位于字線和位線相交處的一個選定的存儲單元101。在正常寫操作期間，僅在組合磁場Hx和Hy的大小足以反轉(zhuǎn)(即旋轉(zhuǎn))存儲單元101的可變磁化取向時，才寫入選定的存儲單元101。
在圖3a中，可變磁化取向103與易磁化軸E對準(zhǔn)時，先有技術(shù)的數(shù)據(jù)層102將具有用加號+和減號-表示的磁荷，并且那些磁荷(+，-)產(chǎn)生去磁磁場HDE。去磁磁場HDE通過減小旋轉(zhuǎn)可變磁化取向103所需的組合磁場(HX，HY)的大小，有利于數(shù)據(jù)層102的反轉(zhuǎn)。實質(zhì)上，旋轉(zhuǎn)可變磁化取向103所需的能量減少了。
同樣，在圖3b中，可變磁化取向103處在與難磁化軸H平行的部分旋轉(zhuǎn)位置時，磁荷(+，-)產(chǎn)生另一去磁磁場HDh。那些磁荷抵制可變磁化取向103的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)。
數(shù)據(jù)層102的反轉(zhuǎn)特性部分是由去磁磁場(HDE，HDh)的大小確定的。最好是去磁磁場HDE的大小足以降低啟動可變磁化取向103的旋轉(zhuǎn)所需的能量，并且去磁磁場HDh的大小足以稍微阻止可變磁化取向103的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，使得當(dāng)可變磁化取向103經(jīng)過難磁化軸H時，數(shù)據(jù)層102不會立即反轉(zhuǎn)(即從邏輯“1”轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛?”)。
先有技術(shù)的MRAM設(shè)計的一個缺點是產(chǎn)生組合磁場(HX，HY)所需的電流(IY，IX)太大。由于若干原因而不想要大電流。首先，大電流增加功耗，這在便攜式電子裝置或電池供電的電子裝置中是不合需要的。第二，大電流可導(dǎo)致產(chǎn)生的廢熱增加，從而會要求風(fēng)扇或其它冷卻裝置有效地驅(qū)散廢熱。那些冷卻裝置增加了靠電池工作的裝置的成本、重量和耗用功率。第三，需要較大的驅(qū)動電路來提供這些大電流，而較大的驅(qū)動電路減少了可用于存儲器或存儲裝置中其它重要電路的芯片面積。最后，傳送電流的導(dǎo)體可能由于導(dǎo)體中高電流密度產(chǎn)生的電遷移而出故障。
降低電流(IY，IX)的先有方法包括使用如圖4所示的軟磁材料包覆導(dǎo)體(105，107)。覆層112覆蓋了導(dǎo)體120完整的三個面，并包括在位置上與導(dǎo)體120表面齊平且與數(shù)據(jù)層102相鄰的極端P。覆層112增強(qiáng)了可用磁場，并且在沿x軸X的方向上形成閉合磁路110。閉合磁路提供磁場(HX，HY)的磁通閉合，并將那些磁場與數(shù)據(jù)層102有效地耦合。
此外，閉合磁路110增加了數(shù)據(jù)層102的有效長度，從而增加了數(shù)據(jù)層102的形狀各向異性。較大的形狀各向異性增加了數(shù)據(jù)層102的磁穩(wěn)定性。通常，為了通過形狀各向異性實現(xiàn)所需的磁穩(wěn)定性，要使數(shù)據(jù)層102在易磁化軸E的方向上更長，使得存儲單元101的寬度W尺寸比長度L尺寸更長。雖然有效長度的增加進(jìn)一步增加了數(shù)據(jù)層102的磁穩(wěn)定性，但也具有使數(shù)據(jù)層102反轉(zhuǎn)更困難的缺點。結(jié)果，需要更多電流以實現(xiàn)數(shù)據(jù)層102反轉(zhuǎn)。因為數(shù)據(jù)層102在物理上已經(jīng)被制作得在易磁化軸E的方向上更長，所以通過增加由閉合磁路110形成的有效長度，使該物理長度變得更長。因此，雖然覆層112具有把可用磁場集中在數(shù)據(jù)層102的效果，但使用覆層112卻加劇了反轉(zhuǎn)電流要求。
另外，形狀各向異性的所需增加是以增加存儲單元大小為代價實現(xiàn)的，因為增加數(shù)據(jù)層102的物理長度也會增加存儲單元101占用的面積。因此，大約2.0到大約3.0范圍內(nèi)的或更大的縱橫比是常見的。因此，由于存儲單元101占用較大面積，因而降低了面密度。理論上，縱橫比應(yīng)當(dāng)盡可能接近1.0，這樣可以增加面密度。
在圖5c中，陣列203包括位于一對包覆過的導(dǎo)體(105c，107c)之間相交處的先有技術(shù)的存儲單元101。在圖5a中，沿圖5c的X軸X的剖視圖說明具有覆層109的導(dǎo)體107c，該覆層覆蓋了導(dǎo)體107c完整的三個面，并包括在位置上與導(dǎo)體107c表面齊平且與數(shù)據(jù)層102相鄰的極端109p。
在圖6a中，圖5a的結(jié)構(gòu)的一個缺點是極端109p產(chǎn)生的磁荷(+，-)與數(shù)據(jù)層102產(chǎn)生的磁荷極性相反。極端109p產(chǎn)生的磁荷(+，-)明顯減小或消除去磁磁場H’DE，使得需要更多能量(即更強(qiáng)的磁場HX)以使可變磁化取向103旋轉(zhuǎn)。因此，必須提供更多電流IY以生成更大的磁場HX。因此，覆層109對數(shù)據(jù)層102的反轉(zhuǎn)特性的一個分量有不利影響。此外，如上所述，覆層109增加了數(shù)據(jù)層102的有效長度。因此，電流IY必須進(jìn)一步增加以實現(xiàn)數(shù)據(jù)層102反轉(zhuǎn)。覆層109生成的閉合磁路形成通過數(shù)據(jù)層102的低磁阻路徑，導(dǎo)致磁場與數(shù)據(jù)層102強(qiáng)耦合，而上述去磁磁場H’DE的效果和數(shù)據(jù)層102有效長度的增加由于該強(qiáng)耦合而加劇。
在圖5b中，沿圖5c的Y軸Y的剖視圖說明具有覆層111的導(dǎo)體105c，該覆層覆蓋了導(dǎo)體105c的完整三個面，并包括在位置上與導(dǎo)體105c表面齊平且與數(shù)據(jù)層102相鄰的極端111p。
在圖6b中，圖5b結(jié)構(gòu)的一個缺點是極端111p產(chǎn)生的磁荷(+，-)與數(shù)據(jù)層102產(chǎn)生的磁荷極性相反。那些磁荷通過所導(dǎo)致的去磁磁場H’Dh的降低或消除，減小數(shù)據(jù)層102的矯頑力。因此，在可變磁化取向103旋轉(zhuǎn)通過難磁化軸H時，只有少量阻力或沒有阻力。因此，覆層111對數(shù)據(jù)層102的反轉(zhuǎn)特性的另一分量具有不利影響。去磁磁場H’Dh的效果也由于覆層111導(dǎo)致磁場與數(shù)據(jù)層102的強(qiáng)耦合而加劇。
因此，磁存儲單元的一個或多個導(dǎo)體需要一種覆層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供反轉(zhuǎn)磁場增強(qiáng)，但不會對磁存儲單元的數(shù)據(jù)層的反轉(zhuǎn)特性造成不利影響。需要一種覆層結(jié)構(gòu)增加磁路的磁阻，從而降低磁耦合。也需要一種覆層結(jié)構(gòu)來允許減小磁存儲單元的縱橫比，從而增加面密度。

發(fā)明內(nèi)容
通過對跨過磁存儲單元的一個或多個導(dǎo)體進(jìn)行不對稱包覆，本發(fā)明解決了先有的包覆導(dǎo)體產(chǎn)生的上述問題。磁存儲器件包括磁場敏感型存儲單元、在長度方向上跨過存儲單元的第一導(dǎo)體以及在寬度方向上跨過存儲單元的第二導(dǎo)體。第一導(dǎo)體包括覆蓋其頂面和兩個側(cè)面的一部分的第一覆層。該覆層包括靠近兩個側(cè)面并沿兩個側(cè)面凹進(jìn)第一偏距的第一對極端。
在一個實施例中，第二導(dǎo)體也包括覆蓋其頂面和兩個側(cè)面的一部分的第二覆層。第二覆層包括靠近兩個側(cè)面并沿兩個側(cè)面凹進(jìn)第二偏距的第二對極端。第一和第二偏距不必彼此相等，因此，相對于存儲單元的數(shù)據(jù)層或存儲單元上的其它參考點，第一和第二極端并未等距地彼此隔開。
第一和第二導(dǎo)體中的任一個或兩個導(dǎo)體可相對于其各自的相交方向橫向移位，使得導(dǎo)體并不對稱地以存儲單元為中心。數(shù)據(jù)層中某一點出現(xiàn)反轉(zhuǎn)成核而導(dǎo)致存儲單元的反轉(zhuǎn)特性改變時，橫向移位可用于改變該點。
由于增加了磁路的磁阻，因此凹極減輕了由包覆導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場與數(shù)據(jù)層之間強(qiáng)的磁耦合導(dǎo)致的上述問題。由于增加的磁阻有助于減輕磁場與數(shù)據(jù)層的耦合，因此凹極也減小了數(shù)據(jù)層沿易磁化軸增加的有效長度。
凹極減輕了極端產(chǎn)生的磁荷的抵消效應(yīng)，從而減小或消除了沿數(shù)據(jù)層的易磁化軸和難磁化軸的去磁磁場，并且獲得了數(shù)據(jù)層的所需反轉(zhuǎn)特性，同時也增強(qiáng)了第一和第二導(dǎo)體中流過的電流所產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)磁場。
與具有包覆導(dǎo)體的先有存儲單元相比，通過將第一和第二導(dǎo)體其中之一或兩者進(jìn)行不對稱包覆，可減小存儲單元的縱橫比。
通過下面的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點會變得顯而易見，該說明結(jié)合附圖，以示例方式說明本發(fā)明的原理。


圖1a是先有磁存儲單元的側(cè)視圖；圖1b是描述圖1a的先有磁存儲單元中數(shù)據(jù)存儲的示意圖；圖2a是描述兩個導(dǎo)體跨過的先有存儲單元的示意圖；圖2b是描述先有MRAM陣列的示意圖；圖3a和3b是頂部平面圖，分別描述沿先有存儲單元的易磁化軸和難磁化軸的去磁磁場；圖4是描述先有包覆導(dǎo)體的橫斷面視圖；
圖5a和5b是描述具有一對包覆導(dǎo)體的先有存儲單元的橫斷面視圖；圖5c是描述先有MRAM陣列的示意圖，該陣列具有由包覆導(dǎo)體跨過的先有存儲單元；圖6a和6b分別描述圖5a和圖5b的先有包覆導(dǎo)體對先有存儲單元反轉(zhuǎn)特性造成的有害影響；圖7a是描述根據(jù)本發(fā)明的磁場敏感型存儲單元的側(cè)視圖；圖7b是根據(jù)本發(fā)明、跨過磁場敏感型存儲單元的第一導(dǎo)體的第一不對稱覆層的頂部平面圖；圖7c是根據(jù)本發(fā)明、跨過磁場敏感型存儲單元的第二導(dǎo)體的第二對稱覆層的底部平面圖；圖8a和8b是根據(jù)本發(fā)明、跨過存儲單元的第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體的橫斷面視圖，并且第一導(dǎo)體包括第一不對稱覆層；圖9a和9b是根據(jù)本發(fā)明的圖8a和8b中第二導(dǎo)體的橫斷面視圖，該導(dǎo)體帶有與其相連的第二對稱覆層；圖10a和10b是根據(jù)本發(fā)明、包括分別與其相連的第一和第二不對稱覆層的第一和第二導(dǎo)體的橫斷面視圖；圖11是描述根據(jù)本發(fā)明、具有寬度和長度大致彼此相等的磁場敏感型存儲單元的頂部平面圖；圖12a和12b是描述根據(jù)本發(fā)明、第一和第二不對稱覆層的凹極分別相對于預(yù)定點的第一和第二偏距的橫截面視圖；圖13是描述根據(jù)本發(fā)明的第一和第二對極端與數(shù)據(jù)層之間的不對稱間隔的示意圖；圖14a和14b是描述根據(jù)本發(fā)明、分別橫向移動第一和第二導(dǎo)體的橫斷面視圖；圖15是描述根據(jù)本發(fā)明、包括第一不對稱覆層的第一導(dǎo)體中流過的電流所形成的去磁磁場的示意圖；圖16是描述根據(jù)本發(fā)明、包括第二不對稱覆層的第二導(dǎo)體中流過的電流所形成的去磁磁場的示意圖；圖17a和17b是說明根據(jù)本發(fā)明的不對稱覆層厚度變化的示意圖；圖18是根據(jù)本發(fā)明、具有不對稱包覆導(dǎo)體的磁存儲器件陣列的側(cè)視圖。
具體實施例方式
在下面詳細(xì)說明和附圖的若干圖形中，類似的元件用類似的標(biāo)號來標(biāo)識。
如圖所示，為了說明，本發(fā)明在包括磁場敏感型存儲單元(以下稱為存儲單元)的磁存儲器件的不對稱覆層結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)。
在圖7a到圖8b中，磁存儲單元10包括多個層，包括但不限于參考層4、數(shù)據(jù)層2和位于數(shù)據(jù)層和參考層(2，4)之間的阻擋層6。在MRAM技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知，數(shù)據(jù)層2包括由雙向箭頭M表示的可變磁化取向，并且參考層4包括不響應(yīng)外部磁場而旋轉(zhuǎn)其取向的受牽制磁化取向P。一般，作為存儲單元10的制造過程的一部分，確定并永久設(shè)定受牽制磁化取向P?？勺兇呕∠騇可具有與受牽制磁化取向P平行或反平行的取向，并且該取向可通過外部提供的足夠大小的磁場來改變。
在MRAM技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知，對于TMR器件，阻擋層6是諸如氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlNx)、氧化鎂(MgO)或氧化鉭(TaOx)等非導(dǎo)電材料(即電介質(zhì)材料)的薄層。而對于GMR器件，阻擋層6是諸如銅(Cu)、金(Au)或銀(Ag)等導(dǎo)電非磁性材料。雖然磁場敏感型存儲器件可包括幾個薄膜材料層，但為簡化說明，把磁存儲單元10表示成包括參考層4、數(shù)據(jù)層2和阻擋層6，但這并不表示僅限于那些層。
第一導(dǎo)體11在存儲單元10的長度方向LD上跨過存儲單元10，并且第一導(dǎo)體11包括頂面11t、兩個側(cè)面11s以及底面11b(見圖8a)。在圖7b中，第一導(dǎo)體11覆蓋有下文將描述的第一不對稱覆層13。底面11b的位置是面對存儲單元(即底面11b面對數(shù)據(jù)層2)。底面11b不必直接與數(shù)據(jù)層2接觸，并且在底面11b與數(shù)據(jù)層2之間可放置MRAM堆棧的一個或多個薄膜材料層。
在圖8a中，第一不對稱覆層13與第一導(dǎo)體11的頂面11t和兩個側(cè)面11s的一部分相連。也就是說，第一不對稱覆層13并未覆蓋整個兩個側(cè)面11s。第一不對稱覆層13包括的第一對極端13p沿兩個側(cè)面11s凹進(jìn)(即遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)層2的方向)而且與存儲單元10偏離了第一距離D1。第一不對稱覆層13中的不對稱是由于覆層只蓋住相對側(cè)面11s的一部分，使得第一對極端13p不與底面11b齊平。
在圖8b中，第二導(dǎo)體15在寬度方向WD上跨過存儲單元10，并且包括頂面15t、兩個側(cè)面15s以及底面15b，底面15b的位置也是面對存儲單元(即底面15b面對數(shù)據(jù)層2)。如上面有關(guān)底面11b所述一樣，第二導(dǎo)體15的底面15b無需直接與數(shù)據(jù)層2接觸。上述外部磁場由流過第一和第二導(dǎo)體(11、15)的電流(未示出)產(chǎn)生，并且那些外部磁場相互組合以與數(shù)據(jù)層2交互作用，從而在向存儲單元10執(zhí)行寫操作期間，旋轉(zhuǎn)可變磁化取向M。
總之，第一和第二導(dǎo)體(11，15)可稱為寫入線。視存儲器件的體系結(jié)構(gòu)而定，第一導(dǎo)體11可以是字線，第二導(dǎo)體15可以是位線，或反之亦然。例如，字線和位線可排成陣列，其中，位線橫穿陣列各行，而字線橫穿陣列各列，或者位線橫穿陣列各列，而字線橫穿陣列各行。在圖18中，MRAM陣列50包括多個存儲單元10，并在陣列50的行中，包括不對稱包覆的導(dǎo)體11，在陣列50的各列中包括不對稱包覆的導(dǎo)體15(如下所述)。存儲單元10位于行導(dǎo)體與列導(dǎo)體的相交處。
在圖15中，第一導(dǎo)體11中流動的電流IX產(chǎn)生磁場HY，該磁場通過第一不對稱覆層13創(chuàng)建的閉合磁路與數(shù)據(jù)層2進(jìn)行磁交互作用(參見描述與數(shù)據(jù)層2磁通閉合的HY的虛線)。由于第一對極端13p凹進(jìn)第一距離D1，因此，在第一對極端13p的閉合磁路的磁阻RG比第一不對稱覆層13中的磁阻RC和數(shù)據(jù)層2中的磁阻RD更高。實質(zhì)上，第一距離D1插入的間隙增加了關(guān)于HY的閉合磁路的總磁阻。因此，磁場HY與數(shù)據(jù)層2的磁耦合減輕，導(dǎo)致去磁磁場HDh的大小減小，該去磁磁場與難磁化軸h對準(zhǔn)，并且是由于第一對極端13p接近數(shù)據(jù)層2而在數(shù)據(jù)層2中導(dǎo)致的磁荷(+，-)所產(chǎn)生的。
降低去磁磁場HDh強(qiáng)度的一個好處是，降低了可變磁化取向M抵制在與難磁化軸h對準(zhǔn)時進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)的趨勢。凹進(jìn)的第一對極端13p使第一不對稱覆層13的磁性材料遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)層2，從而使第一不對稱覆層13與數(shù)據(jù)層2之間的磁干擾更小。
在具有包覆導(dǎo)體的先有存儲單元中，覆層增強(qiáng)了數(shù)據(jù)層的磁場，導(dǎo)致數(shù)據(jù)層矯頑性的降低和去磁磁場H’Dh的增加。去磁磁場H’Dh為可變磁化取向M創(chuàng)建穩(wěn)定低能狀態(tài)。因此，可變磁化取向M抵制被旋轉(zhuǎn)而脫離該穩(wěn)定狀態(tài)。因此，只有具有足夠大小的磁場可推動先有存儲單元的可變磁化取向M旋轉(zhuǎn)以脫離該穩(wěn)定狀態(tài)。不過，生成該磁場需要更大的電流，并且如上所述，大電流是不合需要的。
因此，通過減小磁耦合和去磁磁場HDh的大小，本發(fā)明的第一不對稱覆層13為可變磁化取向M提供了受控能態(tài)，這考慮到改進(jìn)數(shù)據(jù)層2的反轉(zhuǎn)特性以及降低通過難磁化軸h旋轉(zhuǎn)可變磁化取向M所需的電流IX大小。
在圖12a中，第一偏距D1可以是在第一組極端13p與第一導(dǎo)體11的底面11b之間測得的距離，或者是在第一組極端13p與存儲單元10上的預(yù)定點之間測得的距離。存儲單元10上的預(yù)定點可以是數(shù)據(jù)層2。在圖12a中，阻擋層6也作為存儲單元10上預(yù)定點的一個可能選擇來描述。存儲單元10上預(yù)定點的選擇可隨應(yīng)用而定，或者可以只是選擇的問題。
由于構(gòu)成存儲單元10的數(shù)據(jù)層2、阻擋層6、參考層4和任何其它層一般是厚度為幾納米(nm)或更薄的薄膜層，因此，第一導(dǎo)體11的底面11b是存儲單元10上預(yù)定點的邏輯選擇。另一方面，由于不對稱覆層(13，17)的作用被設(shè)計為對數(shù)據(jù)層2有影響，因此數(shù)據(jù)層2也是存儲單元10上預(yù)定點的邏輯選擇。
在本發(fā)明的一個實施例中，如圖9a和9b所示，第二導(dǎo)體15包括第二對稱覆層16，該覆層與頂面15t和完整的兩個側(cè)面15s相連(即，第二對稱覆層16未沿兩個側(cè)面15凹進(jìn))，并且包括實質(zhì)上與底面15b齊平的一對極端16p。第二對稱覆層16增強(qiáng)流經(jīng)第二導(dǎo)體15的電流(未示出)所產(chǎn)生的磁場，并且增強(qiáng)該磁場與數(shù)據(jù)層2的耦合。
在圖7a中，僅為說明目的，參照笛卡爾坐標(biāo)系表示存儲單元10，其中，長度方向LD與X軸X對準(zhǔn)(同時參見圖7b)，寬度方向WD與Y軸Y對準(zhǔn)(同時參見圖7c)。長度方向LD實質(zhì)上與存儲單元的長L1正交，寬度方向WD實質(zhì)上與存儲單元的寬W1正交。寬度W1與長度L1的比率定義了存儲單元10的縱橫比AR(即，AR＝W1÷L1)。
另外，在圖7a到7c中，數(shù)據(jù)層2的易磁化軸e實質(zhì)上與X軸X對準(zhǔn)，而數(shù)據(jù)層2的難磁化軸h實質(zhì)上與Y軸Y對準(zhǔn)。易磁化軸e與可變磁化取向M一般與數(shù)據(jù)層2的最長邊對準(zhǔn)，以便利用形狀各向異性來增加數(shù)據(jù)層2的磁穩(wěn)定性。
在先有存儲單元中，形狀各向異性的磁穩(wěn)定性優(yōu)點是以具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.0的縱橫比的數(shù)據(jù)層為代價獲得的，因此，數(shù)據(jù)層的寬度尺寸明顯比長度尺寸要大。例如，在先有存儲單元中，縱橫比可能從大約2.0到大約3.0或者更大。在與先有存儲單元的易磁化軸正交的導(dǎo)體被包覆時，覆層沿易磁化軸增加數(shù)據(jù)層的有效長度，而這又增加了數(shù)據(jù)層的磁穩(wěn)定性。但是，有效長度越長，數(shù)據(jù)層反轉(zhuǎn)就變得更困難，并且需要更多電流來實現(xiàn)數(shù)據(jù)層的反轉(zhuǎn)。
第一導(dǎo)體11上的第一不對稱覆層13提供了必需的磁反轉(zhuǎn)磁場增強(qiáng)，有效地將電流IX產(chǎn)生的可用磁場與數(shù)據(jù)層2耦合，同時也在數(shù)據(jù)層2中提供受控能態(tài)，改進(jìn)數(shù)據(jù)層2的反轉(zhuǎn)特性以及降低覆層13與數(shù)據(jù)層2之間不必要的磁相互作用。因此，數(shù)據(jù)層2的磁穩(wěn)定性得到增加，并且寬度W1可減小，相應(yīng)地縱橫比AR得以減小，面密度得以增加。縱橫比AR可以在大約1.0到大約1.6的范圍內(nèi)。縱橫比AR最好是盡可能接近1.0，從而使存儲單元10的寬度W1和長度L1實質(zhì)上彼此相等(即，W1＝L1)，并且數(shù)據(jù)層2實質(zhì)上具有正方形(見圖11)。
在本發(fā)明的另一實施例中，如圖10a和10b所示，不對稱覆層結(jié)構(gòu)還包括第二不對稱覆層17，該覆層與第二導(dǎo)體15的頂面15t和兩個側(cè)面15s的僅一部分相連。也就是說，第二不對稱覆層17未覆蓋完整的兩個側(cè)面15s。第二不對稱覆層17包括沿兩個側(cè)面15s凹進(jìn)(即，在遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)層2的方向上)且與存儲單元10偏離了第二距離D2的第二對極端17p。第二不對稱覆層17中的不對稱也是由于覆層只覆蓋相對側(cè)面15s的一部分，使得第二對極端17p不與底面15b齊平。
在圖12b中，第二偏距D2可以是第二組極端17p與第二導(dǎo)體15的底面15b之間測得的距離，或者是第二組極端17p與存儲單元10上預(yù)定點之間測得的距離。例如，存儲單元10上的預(yù)定點可以是數(shù)據(jù)層2或阻擋層6。
在圖13中，第一和第二對極端(13p，17p)相對于數(shù)據(jù)層2上的預(yù)定點是不對稱隔開的，使得第一對極端13p與數(shù)據(jù)層2上的預(yù)定點之間的第一距離T1不等于第二對極端17p與數(shù)據(jù)層2上的預(yù)定點之間的第二距離T2(即，T1≠T2)。不對稱間隔可以是由于構(gòu)成存儲單元10的不同材料層的厚度不同和/或第一和第二偏距(D1，D2)不同。雖然T1描述為小于T2，但T1也可以大于T2。第一偏距D1可以大于第二偏距D2(即D1＞D2)，或者第二偏距D2可以大于第一偏距D1(即D2＞D1)。通過調(diào)節(jié)第一和第二偏距(D1，D2)和/或第一和第二距離(T1，T2)，可調(diào)整數(shù)據(jù)層2的反轉(zhuǎn)特性。例如，通過增加(D1，D2)或(T1，T2)來增加通過數(shù)據(jù)層2的磁路的磁阻。
在圖16中，第二導(dǎo)體15中流動的電流IY產(chǎn)生磁場HX，該磁場通過第二不對稱覆層17形成的閉合磁路與數(shù)據(jù)層2進(jìn)行磁交互作用(參見描述與數(shù)據(jù)層2磁通閉合的HX的虛線)。由于第二對極端17p凹進(jìn)第二距離D2，因此，在第二對極端17p的閉合磁路的磁阻RG比第二不對稱覆層17中的磁阻RC和數(shù)據(jù)層2中的磁阻RD更高。第二距離D2插入的間隙增加了用于HX的閉合磁路的總磁阻。結(jié)果是磁場HX與數(shù)據(jù)層2的磁耦合減弱，而且去磁磁場HDe的大小減小，該去磁磁場與易磁化軸e對準(zhǔn)，并且是由于第二對極端17p接近數(shù)據(jù)層2而導(dǎo)致數(shù)據(jù)層2中的磁荷(+，-)所產(chǎn)生的。
與具有包覆導(dǎo)體的先有存儲單元的大縱橫比形成強(qiáng)烈的對比，本發(fā)明的另一優(yōu)點是，第二不對稱覆層17允許減小數(shù)據(jù)層2的寬度W1，使得可以減小縱橫比AR，從而增加面密度。減小縱橫比AR的其它好處包括改進(jìn)數(shù)據(jù)層2的反轉(zhuǎn)磁場特性和降低反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)層2所需的電流。
另外，由于寬度W1減小導(dǎo)致形狀各向異性減小而造成數(shù)據(jù)層2磁穩(wěn)定性的任何降低可得到補(bǔ)償，因為第二不對稱覆層17沿易磁化軸e增加了數(shù)據(jù)層2的有效長度。因此，縱橫比AR得以減小，但卻未完全消除數(shù)據(jù)層2中形狀各向異性的好處?？v橫比AR可以減小到大約1.0到大約1.6的范圍?？v橫比AR最好是盡可能接近1.0，使得存儲單元10的寬度W1和長度L1實質(zhì)上彼此相等(即W1＝L1)，并且數(shù)據(jù)層2實質(zhì)上具有正方形(見圖11)?？v橫比AR的減小并不限于如本文所述的具有矩形或正方形的存儲單元10。例如，存儲單元10可具有的形狀包括但不限于橢圓形或橢球形。
在圖14a和14b中，數(shù)據(jù)層12的反轉(zhuǎn)特性也可以通過橫向移動第一導(dǎo)體11和/或第二導(dǎo)體15、使得導(dǎo)體(11，15)并不對稱地以存儲單元10為中心來進(jìn)行調(diào)整。例如，在圖14a中，第一導(dǎo)體11沿Y軸Y的正方向橫向移位(即，從數(shù)據(jù)層2的中心點C正負(fù)移位)，使得第一導(dǎo)體11不是以中心點C為中心對稱放置。因此，發(fā)生反轉(zhuǎn)成核的數(shù)據(jù)層2中的點n偏離中心點C，從而改變數(shù)據(jù)層2的反轉(zhuǎn)特性。同樣，在圖14b中，第二導(dǎo)體15沿X軸X負(fù)方向橫向移位，使得第二導(dǎo)體15并不以中心點C為中心對稱放置，發(fā)生反轉(zhuǎn)成核的數(shù)據(jù)層2中的點n偏離中心點C。第一導(dǎo)體11、第二導(dǎo)體15或者第一與第二導(dǎo)體(11，15)兩者可橫向移位以實現(xiàn)數(shù)據(jù)層2的反轉(zhuǎn)特性的所需改變。
本發(fā)明的不對稱包覆導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點在于，通過對第一和第二導(dǎo)體(11，15)之一或兩者進(jìn)行不對稱包覆，改進(jìn)了如圖18所示的存儲單元10的陣列50的半選邊距。半選邊距的改進(jìn)是通過有效增加縱橫比AR的不對稱覆層獲得的，因為不對稱覆層增加了數(shù)據(jù)層2的有效長度。
例如，如果數(shù)據(jù)層2的物理尺寸使得W1≅L1]]>，并且數(shù)據(jù)層2的縱橫比AR約為1.0，則第二導(dǎo)體15的不對稱覆層17可增加數(shù)據(jù)層2的有效寬度，使得W1稍微增加并且W1÷L1大于1.0。例如，如果W1和L1的物理尺寸為1.0μm，并且不對稱覆層17具有的作用可將W1增加到1.3μm，則數(shù)據(jù)層2的物理縱橫比人為AR為1.0(即，1.0μm÷1.0μm)；然而，有效縱橫比AR為1.3(即，1.3μm÷1.0μm)，并且縱橫比AR的有效增加改進(jìn)了陣列50的存儲單元10之中的半選邊距。
在圖17a和17b中，第一和第二不對稱覆層(13，17)的示例分別包括沿兩個側(cè)面(11s，15s)的第一厚度t1和沿項面(11t，15t)的第二厚度t2，并且第一厚度t1與第二厚度t2不同(即t1≠t2)。t1與t2厚度不同可以是形成不對稱覆層(13，17)時采用的制造工藝的產(chǎn)物，或者是故意引入以抵消在側(cè)面(11s，15s)上生長的薄膜與在頂面(11t，15t)上生長的薄膜之間磁特性的差異。例如，第一厚度t1可以大于第二厚度t2(即t1＞t2)。又例如，t1可以是t2厚度的大約1.2倍到大約2.0倍。
用于第一和第二導(dǎo)體(11，15)的適當(dāng)導(dǎo)電材料包括但不限于銅(Cu)、鋁(Al)、鋁銅合金(AlCu)、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)或這些材料的合金。用于第一和第二不對稱覆層(13，17)的適當(dāng)鐵磁材料包括但不限于鎳鐵(NiFe)、鎳鐵鈷(NiFeCo)、鈷鐵(CoFe)、PERMALLOYTM以及這些材料的合金。
視用于形成第一和第二不對稱覆層(13，17)的工藝而定，用于第一對極端13p的第一距離D1和用于第二對極端17p的第二距離D2可以不正好相等。也就是說，第二導(dǎo)體15一側(cè)上的D2可以不正好等于第二導(dǎo)體15另一側(cè)上的D2。例如，第一導(dǎo)體11的一個側(cè)面11s上的第一距離D1可以不正好等于另一側(cè)面11s上的第一距離D1，這樣，一個極端13p可以比另一極端13p更接近或更遠(yuǎn)離存儲單元10上的預(yù)定點。例如，那些差異可能是由于形成不對稱覆層(13，17)所用的工藝中淀積或濺射速率稍微不同。
雖然已公開并闡述了本發(fā)明的幾個實施例，但本發(fā)明并不限于所述及所示的特定形式或方案。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書限制。
權(quán)利要求
1.一種用于包括磁場敏感型存儲單元10的磁存儲器件的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，它包括第一導(dǎo)體11，它沿長度方向LD跨過所述存儲單元10，并且包括頂面11t、兩個側(cè)面11s以及面對所述存儲單元10放置的底面11b；第一不對稱覆層13，它與所述頂面11t和所述兩個側(cè)面11s的僅僅一部分相連，并且包括沿所述兩個側(cè)面11s凹進(jìn)且與所述存儲單元10偏離第一距離D1的第一對極端13p；以及第二導(dǎo)體15，它沿寬度方向WD跨過所述存儲單元10，并包括頂面15t、兩個側(cè)面15s以及面對所述存儲單元10放置的底面15b。
2.如權(quán)利要求1所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述長度方向LD實質(zhì)上與所述存儲單元10的長L1正交，所述寬度方向WD實質(zhì)上與所述存儲單元10的寬W1正交，并且所述寬度W1與所述長度L1之比定義縱橫比AR。
3.如權(quán)利要求2所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述縱橫比AR在大約1.0到大約1.6的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一偏距D1是從由以下各項組成的組中選擇的距離所述第一對極端13p與所述第一導(dǎo)體11的所述底面11b之間的距離以及所述第一對極端13p與所述存儲單元10上的預(yù)定點之間的距離T1。
5.如權(quán)利要求4所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述存儲單元10上的所述預(yù)定點包括所述存儲單元10的數(shù)據(jù)層2。
6.如權(quán)利要求1所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述長度方向LD實質(zhì)上與所述存儲單元10的易磁化軸e對準(zhǔn)，而且所述寬度方向WD實質(zhì)上與所述存儲單元10的難磁化軸h對準(zhǔn)。
7.如權(quán)利要求1所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二導(dǎo)體15還包括第二對稱覆層16，所述覆層與所述頂面15t和完整的所述兩個側(cè)面15s相連，并且包括實質(zhì)上與所述底面15b齊平的一對極端16p。
8.如權(quán)利要求1所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一導(dǎo)體11橫向移位(±Y)，使得所述第一導(dǎo)體11不以所述存儲單元10為中心C對稱放置。
9.如權(quán)利要求1所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一不對稱覆層13還包括沿所述兩個側(cè)面11s的第一厚度t1和沿所述頂面11t的第二厚度t2，并且所述第一厚度t1是不等于所述第二厚度t2或者大于所述第二厚度t2的一個選定厚度。
10.如權(quán)利要求9所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一厚度t1在所述第二厚度t2的大約1.2倍到大約2.0倍的范圍內(nèi)。
11.如權(quán)利要求1所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于還包括第二不對稱覆層17，所述覆層與所述第二導(dǎo)體15的所述頂面15t和所述兩個側(cè)面15s的僅一部分相連，并且包括沿所述第二導(dǎo)體15的所述兩個側(cè)面15s凹進(jìn)且與所述存儲單元10偏離第二距離D2的第二對極端17p。
12.如權(quán)利要求11所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二偏距D2是從由以下各項構(gòu)成的組中選擇的距離所述第二對極端17p與所述第二導(dǎo)體15的所述底面15b之間的距離以及所述第二對極端17p與所述存儲單元10上的預(yù)定點之間的距離T2。
13.如權(quán)利要求12所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述存儲單元10上的所述預(yù)定點包括所述存儲單元10的數(shù)據(jù)層2。
14.如權(quán)利要求13所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，相對于所述數(shù)據(jù)層2上的所述預(yù)定點，所述第一對極端13p和所述第二對極端17p是不對稱隔開的。
15.如權(quán)利要求11所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二偏距D2大于所述第一偏距D1。
16.如權(quán)利要求11所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一偏距D1大于所述第二偏距D2。
17.如權(quán)利要求11所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述長度方向LD實質(zhì)上與所述存儲單元10的長L1正交，所述寬度方向WD實質(zhì)上與所述存儲單元10的寬W1正交，并且所述寬度W1與所述長度L1之比定義縱橫比AR。
18.如權(quán)利要求17所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述縱橫比AR在大約1.0到大約1.6的范圍內(nèi)。
19.如權(quán)利要求11所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一導(dǎo)體11橫向移位(±Y)，使得所述第一導(dǎo)體11不以所述存儲單元10為中心C對稱放置。
20.如權(quán)利要求11所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二導(dǎo)體15橫向移位(±X)，使得所述第二導(dǎo)體15不以所述存儲單元10為中心C對稱放置。
21.如權(quán)利要求11所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一導(dǎo)體11橫向移位(±X)，使得所述第一導(dǎo)體11不以所述存儲單元10為中心C對稱放置，并且所述第二導(dǎo)體15橫向移位(±X)，使得所述第二導(dǎo)體15不以所述存儲單元10為中心C對稱放置。
22.如權(quán)利要求11所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述長度方向LD實質(zhì)上與所述存儲單元10的易磁化軸e對準(zhǔn)，并且所述寬度方向WD實質(zhì)上與所述存儲單元10的難磁化軸h對準(zhǔn)。
23.如權(quán)利要求11所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一不對稱覆層13和所述第二不對稱覆層17中的一個選定覆層或兩個覆層還包括沿所述兩個側(cè)面(11s，15s)的第一厚度t1和沿所述頂面(11t，15t)的第二厚度t2，并且所述第一厚度t1是不等于所述第二厚度t2或者大于所述第二厚度t2的一個選定厚度。
24.如權(quán)利要求23所述的不對稱覆層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一厚度t1在所述第二厚度t2的大約1.2倍到大約2.0倍的范圍內(nèi)。
全文摘要
公開一種用于磁場敏感型存儲單元10的不對稱包覆導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。跨過存儲單元10的導(dǎo)體(11，15)之一或兩者可包括覆蓋導(dǎo)體(11，15)的頂面(11t，15t)和相對側(cè)面(11s，15s)的僅一部分的不對稱覆層(13，17)，這樣，相對側(cè)面(11s，15s)上的覆層(13，17)在遠(yuǎn)離存儲單元10的數(shù)據(jù)層2的方向上沿相對側(cè)面(11s，15s)凹進(jìn)。覆層(13，17)凹進(jìn)偏距(D1，D2或T1，T2)。不對稱覆層(13，17)增加了閉合磁路的磁阻Rg，導(dǎo)致與數(shù)據(jù)層2的磁耦合減小。存儲單元10的縱橫比AR可減小，從而增加面密度。
文檔編號H01L21/70GK1527319SQ0315409
公開日2004年9月8日 申請日期2003年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月13日
發(fā)明者M·K·巴塔查里亞, T·C·安東尼, M K 巴塔查里亞, 安東尼 申請人:惠普開發(fā)有限公司