[发明专利]垂直STT-MRAM的磁性屏蔽

说明书

本发明涉及垂直STT‑MRAM的磁性屏蔽。一种存储器具有垂直自旋转移矩（STT）磁性随机访问存储器（MRAM）单元的阵列，其中每个单元具有磁性层堆叠。磁性屏蔽物设置在单元之间并且具有至少磁性层堆叠的高度的最小高度。

背景技术

垂直自旋转移矩（STT）磁性随机访问存储器（MRAM）是基于磁阻的嵌入式非易失性存储器技术。

图1图示了耦合到晶体管120的垂直STT-MRAM堆叠110的示意图100。不同于把数据存储为电荷的典型RAM技术，MRAM数据由磁阻元件存储。通常，磁阻元件由两个磁性层制成，每个磁性层保持磁化。一个层（“固定层”或“钉住层”110A）的磁化的磁性取向被固定，并且另一层（“自由层”110C）的磁化可以被自旋极化编程电流来改变。因此，编程电流可以使两个磁性层的磁性取向：在相同方向，从而提供跨越这些层的较低电阻（“0”状态）；或者在相反方向，从而提供跨越这些层的较高电阻（“1”状态）。自由层110C的磁性取向的切换和产生的跨越磁性层的高或低的电阻状态提供用于典型MRAM单元的写和读操作。

磁性层堆叠110连同分别位于自由层顶上和固定层下方的顶和底部电极（未示出）被称为磁性隧道结（MTJ）。编程电流通常流动通过访问晶体管120和MTJ。固定层极化编程电流的电子自旋，并且随着自旋极化电流穿过MTJ，转矩被创建。自旋极化电子电流通过对自由层施加转矩来与自由层交互。当穿过MTJ的自旋极化电子电流的转矩大于临界切换电流密度时，由自旋极化电子电流施加的转矩足以切换自由层的磁化。因此，自由层的磁化可以与钉住层以相同或相反方向被对准，并且跨越MTJ的电阻状态被改变。

图2图示了STT-MRAM单元200的示意图，其可以被制作为形成以包括多个行和列的网格样式或者以各种其它布置（依赖于系统需要和制作技术）的存储器单元阵列。STT-MRAM单元200包括磁性层堆叠210、底部电极290、顶部电极295、位线220、源极线230、访问晶体管240、字线250、读/写电路260、感测放大器270和位线参考280。

编程电流被施加用于STT-MRAM单元200的写操作。为了发起编程电流，读/写电路260可以生成到达位线220和源极线230的写电流。位线220和源极线230之间的电压的极性确定磁性层堆叠210中自由层的磁化的切换。一旦自由层210C根据编程电流的自旋极性被磁化，则编程状态被写入到STT-MRAM单元200。

为了读STT-MRAM单元200，读/写电路260生成通过磁性层堆叠210和晶体管240到达位线220和源极线230的读电流。STT-MRAM单元200的编程状态依赖于跨越磁性层堆叠210的电阻，其可以由位线220和源极线230之间的电压差来确定。在一些实施例中，电压差可以与参考280比较并且被感测放大器270放大。

竖直外部磁场可以影响导致不期望的位倒转的自由层的磁矩。扰乱存储信息仅需要几百奥斯特（Oe）的竖直磁场。垂直STT-MRAM的许多应用需要更高的磁性鲁棒性。

面内STT-MRAM，与垂直STT-MRAM相反，易受到水平外部磁场的影响。这是因为面内STT-MRAM由如下编程电流写入，该编程电流使两个磁性层的磁性取向水平平行或逆平行。使用位于管芯顶部和底部上的磁性屏蔽物，可以增加面内STT-MRAM相对于外部磁场的稳定性。然而，这个磁性屏蔽概念仅适用于面内STT-MRAM，不适用垂直STT-MRAM。对于垂直STT-MRAM应用，竖直磁场是有意义的。所以，垂直STT-MRAM应用需要有效屏蔽竖直外部磁场。

附图说明

图1图示耦合到晶体管的垂直STT-MRAM堆叠的示意图。

图2图示存储器单元的示意图。

图3图示根据示例性实施例的垂直STT-MRAM单元阵列的顶视图。

图4A-4B图示根据示例性实施例的垂直STT-MRAM单元阵列的侧视图。

图5图示均一磁场中的磁性屏蔽材料。