專利名稱：一種用于磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的磁性多層膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器領(lǐng)域，具體地說(shuō)是涉及一種磁性多層膜，以及基于這種磁性多層膜所設(shè)計(jì)的讀寫(xiě)分離的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
眾所周知，在納米磁性多層膜和磁性隧道結(jié)(MTJ)中觀測(cè)到的巨磁電阻效應(yīng) (Giant Magneto-resistance, GMR)禾口隧穿磁電阻效應(yīng)(Tunneling Magneto-resistance, TMR)已被廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)磁讀頭和磁敏傳感器等領(lǐng)域，而其中MTJ的另外一個(gè)極其重要的應(yīng)用就是可以作為磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)的最佳存儲(chǔ)單元。目前，人們提出的MRAM的數(shù)據(jù)寫(xiě)入方式主要分為兩類。第一類是磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)型，即通過(guò)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)翻轉(zhuǎn)存儲(chǔ)單元鐵磁性層(自由層，也稱比特層，bit layer)的磁矩， 從而獲得磁性存儲(chǔ)單元高、低阻態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)(比特)“1”、“0”的寫(xiě)入。第二類是電流驅(qū)動(dòng)型，即通過(guò)自旋極化電流產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移力矩來(lái)翻轉(zhuǎn)存儲(chǔ)單元鐵磁性層的磁矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)(比特)“1”、“0”的寫(xiě)入。相對(duì)于前者，電流驅(qū)動(dòng)型存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方法已極大簡(jiǎn)化了器件的結(jié)構(gòu)及加工工藝，但其目前仍存在的一個(gè)主要問(wèn)題是寫(xiě)入時(shí)功耗高(即磁電阻較大)，當(dāng)長(zhǎng)期地頻繁寫(xiě)入時(shí)，容易損壞MRAM存儲(chǔ)單元中MTJ的勢(shì)壘層，從而影響存儲(chǔ)單元和器件的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種可以有效減小器件功耗的磁性多層膜。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種基于上述磁性多層膜的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于MRAM的磁性多層膜，該磁性多層膜包括用于產(chǎn)生TMR效應(yīng)的MTJ多層膜和位于該MTJ多層膜以下的用于產(chǎn)生GMR效應(yīng)的GMR多層膜， 其中MTJ多層膜和GMR多層膜共用自由層，其中所述GMR多層膜的相鄰于MTJ多層膜一側(cè)的至少一部分被暴露，穿過(guò)該暴露部分的電流用于翻轉(zhuǎn)所述自由層磁矩。在上述磁性多層膜中，所述GMR多層膜暴露出多個(gè)部分，該多個(gè)部分彼此之間相互隔開(kāi)。在上述磁性多層膜中，所述GMR多層膜暴露出一個(gè)部分。在上述磁性多層膜中，所述自由層為由鐵磁性材料制成的鐵磁性層，該鐵磁性材料具有水平或垂直磁晶各向異性。在上述磁性多層膜中，所述GMR多層膜包括硬鐵磁性層、非磁性金屬層和所共用的鐵磁性層，所述MTJ多層膜包括所共用的鐵磁性層、絕緣層和硬鐵磁性層。
在上述磁性多層膜中，所述GMR多層膜或MTJ多層膜或這二者中的硬鐵磁性層具有釘扎結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種包括上述磁性多層膜的MRAM存儲(chǔ)單元。根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供一種根據(jù)上述MRAM存儲(chǔ)單元的寫(xiě)入方法，其中， 寫(xiě)電流穿過(guò)暴露的GMR多層膜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入。在上述寫(xiě)入方法中，所述寫(xiě)電流大于翻轉(zhuǎn)自由層磁矩所需的臨界電流。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供一種根據(jù)上述MRAM存儲(chǔ)單元的讀出方法，其中， 讀電流穿過(guò)所述磁性多層膜中GMR多層膜和MTJ多層膜的完整部分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的MRAM存儲(chǔ)單元中由于采用電阻非常小的全金屬GMR效應(yīng)結(jié)來(lái)寫(xiě)入，因此器件的能耗低，功率小；另外，采用讀寫(xiě)分離的結(jié)構(gòu)，有助于保護(hù)大電阻的磁性多層膜在操作中不易被損壞。


以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明，其中圖1是本發(fā)明中自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)的物理原理示意圖；圖2是本發(fā)明的磁性多層膜在初始狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)圖；圖3A是本發(fā)明磁性多層膜的一種構(gòu)型；圖;3B是本發(fā)明磁性多層膜的另一種構(gòu)型；圖4A和4B是基于由面內(nèi)各向異性材料制成鐵磁層的磁性多層膜在寫(xiě)入低“0”、高 “1”阻態(tài)時(shí)的示意圖；圖4C和4D是基于由垂直各向異性材料制成鐵磁層的磁性多層膜在寫(xiě)入低“0”、高 “1”阻態(tài)時(shí)的示意圖；圖5A是本發(fā)明示例性的MRAM存儲(chǔ)單元的磁性多層膜的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖；圖5B、5C分別是沿圖5A的MRAM存儲(chǔ)單元的GMR多層膜和完整磁性多層膜垂直剖切的剖面圖；圖5D是圖5A的MRAM存儲(chǔ)單元的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖；圖6A是本發(fā)明另一示例性的MRAM存儲(chǔ)單元的磁性多層膜的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖；圖6B是沿圖6A的MRAM存儲(chǔ)單元中具有完整磁性多層膜部分垂直剖切的剖面圖；圖6C和6D是沿圖6A的MRAM存儲(chǔ)單元中GMR多層膜部分垂直剖切的剖面圖；圖6E是圖6A的MRAM存儲(chǔ)單元的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式總地來(lái)說(shuō)，本發(fā)明是基于當(dāng)電流穿過(guò)自由層(即磁矩可自由旋轉(zhuǎn)的層)時(shí)產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)，該效應(yīng)能夠使自由層的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的讀寫(xiě)操作的物理機(jī)制而構(gòu)思的。自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)的物理原理參見(jiàn)圖1所示，其原理是當(dāng)電流流經(jīng) (即穿過(guò))磁性多層膜的自由層時(shí)，由于自旋極化電流中的傳導(dǎo)電子可以把自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移給自旋極化電流經(jīng)過(guò)的自由層的磁矩，從而導(dǎo)致其磁矩的進(jìn)動(dòng)或翻轉(zhuǎn)，具體地，當(dāng)電流密度大于翻轉(zhuǎn)磁矩所需的臨界電流密度Ic的電流(Ic = JcX磁性多層膜存儲(chǔ)單元的面積， jc = 2X106 lX108A/cm2)時(shí)，所產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移力矩足夠大，使得自由層的磁矩能夠被翻轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的磁性多層膜中，包括用于產(chǎn)生巨磁電阻(GMR)效應(yīng)的GMR多層膜結(jié)構(gòu)和用于產(chǎn)生隧穿磁電阻(TMR)效應(yīng)的磁性隧道結(jié)(MTJ)多層膜結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，使GMR 多層膜結(jié)構(gòu)暴露出一部分，這樣，當(dāng)有電流經(jīng)過(guò)GMR多層膜結(jié)構(gòu)時(shí)，能夠通過(guò)產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩效使該GMR多層膜結(jié)構(gòu)中自由層(指的是磁矩可旋轉(zhuǎn)的磁性層)的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，同時(shí)可以帶動(dòng)另一側(cè)具有完整多層膜結(jié)構(gòu)中自由層的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由此達(dá)到寫(xiě)入目的。與傳統(tǒng)的多層膜結(jié)構(gòu)不同，電流不必經(jīng)過(guò)整個(gè)磁性多層膜，而只需經(jīng)過(guò)磁性多層膜的GMR多層膜部分，從而避開(kāi)了電阻較大的MTJ結(jié)構(gòu)，使器件的功耗大大降低。在本發(fā)明的示例性磁性多層膜中，包括GMR多層膜結(jié)構(gòu)和MTJ多層膜結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，MTJ多層膜包括頂部被釘扎鐵磁性層PL、絕緣層I和自由層FL，GMR多層膜包括自由層FL、非磁性金屬層M和底部被釘扎鐵磁性層PL，這兩種多層膜結(jié)構(gòu)均共用中間的自由層 FL。在一種情況下，可以去除上述磁性多層膜的一個(gè)部分，即去除FL層以上的一部分PL和 I層，使該FL層的一部分暴露出來(lái)，獲得如圖3A所示的構(gòu)型A ；此時(shí)，讓寫(xiě)電流I穿過(guò)該暴露部分的FL層，根據(jù)自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)使該FL層磁矩翻轉(zhuǎn)，該磁矩翻轉(zhuǎn)同時(shí)帶動(dòng)未暴露部分FL的磁矩翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了寫(xiě)入操作。或者，在另一情況下，去除磁性多層膜的多個(gè)部分，比如兩部分，使暴露出的GMR多層膜結(jié)構(gòu)被這些剩余部分空間分隔開(kāi)，如圖:3B所示的構(gòu)型B， 其中在FL層的兩個(gè)位置處將PL和I兩層去除，從而使這兩個(gè)位置的GMR多層膜結(jié)構(gòu)暴露出來(lái)，介于這二者之間的磁性多層膜仍然是完整的。這種情況下，所通入的寫(xiě)入電流可以有兩條，如圖所示的I’和I”，或者更多。這種可以具有多條寫(xiě)入電流的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，其不僅降低了每條寫(xiě)入電流的電流密度，而且可以通過(guò)控制多個(gè)電流使磁矩翻轉(zhuǎn)更加容易，提高了翻轉(zhuǎn)速度，是一種優(yōu)選方式。應(yīng)該理解，上述磁性多層膜中的自由層通常由鐵磁性材料制成(因此“自由層”也稱為“鐵磁層”)，該鐵磁性材料可以具有水平(或稱為“面內(nèi)”)或垂直磁晶各向異性，因此使用時(shí)被釘扎鐵磁性層應(yīng)選用與自由層具有同種磁晶各向異性的材料。圖4A和4B是基于鐵磁層由面內(nèi)各向異性材料制成的磁性多層膜在寫(xiě)入低“0”、高“1”阻態(tài)時(shí)的示意圖，圖4C 和4D是基于鐵磁層由垂直各向異性材料制成的磁性多層膜在寫(xiě)入低“0”、高“ 1”阻態(tài)時(shí)的示意圖。圖4A中，在寫(xiě)入前，鐵磁層磁矩方向(虛線箭頭所指方向)與底部被頂扎鐵磁層的磁矩(實(shí)線箭頭所指方向)為反平行；但當(dāng)通入寫(xiě)電流e-后，產(chǎn)生了前面所說(shuō)的自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)，從而使自由層磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)(例如，如圖A中所示的沿順時(shí)針?lè)较虻姆D(zhuǎn))， 使二者的磁矩方向變?yōu)?正)平行，實(shí)現(xiàn)了“0”的寫(xiě)入(定義同向時(shí)是為低電阻態(tài)，即信號(hào) “0”，反向時(shí)則為“1”)。類似地，在圖4B中，通入電流之前，鐵磁層磁矩方向與底部被頂扎鐵磁層的磁矩為平行的；但當(dāng)通入電流e-后，鐵磁層磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使二者變?yōu)榉雌叫校瑥亩鴮?shí)現(xiàn)“1”的寫(xiě)入。與圖4A和4B中虛線箭頭表示面內(nèi)各向異性材料的磁矩方向不同，圖 4C和圖4D中的虛線箭頭表示垂直各向異性的材料中磁矩的方向，其寫(xiě)入操作在實(shí)現(xiàn)方式上和面內(nèi)各項(xiàng)異性材料的情況相同，所以此處不再贅述。應(yīng)該理解，由于上述磁性多層膜中的GMR和MTJ多層膜結(jié)構(gòu)均采用的是釘扎結(jié)構(gòu)， 還應(yīng)當(dāng)包括頂扎層，即在頂部被釘扎磁性層上還應(yīng)有頂部釘扎層，在底部被釘扎磁性層下還應(yīng)有底部頂扎層，然而為了明確示意出本發(fā)明的核心層，將它們省略。另外，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)當(dāng)理解，這種釘扎結(jié)構(gòu)并不是必須的，能夠產(chǎn)生GMR效應(yīng)的其他GMR多層膜結(jié)構(gòu)，以及能夠產(chǎn)生TMR效應(yīng)的其他MTJ多層膜結(jié)構(gòu)也能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明目的，例如GMR多層膜結(jié)構(gòu)可以包括鐵磁性層、金屬層和硬鐵磁性層，MTJ多層膜結(jié)構(gòu)可以包括磁性層、絕緣層和鐵磁性層等。下面是將本發(fā)明的磁性多層膜應(yīng)用到磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)的存儲(chǔ)單元中的示例。示例1 基于構(gòu)型A的磁性多層膜的MRAM存儲(chǔ)單元圖5A是本發(fā)明示例性的MRAM存儲(chǔ)單元的磁性多層膜的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，其示出了讀寫(xiě)電流所流經(jīng)的磁性多層膜及其上的一部分。從圖中可以看出，磁性多層膜采用前文中提到的構(gòu)型A，因此只有一個(gè)寫(xiě)電流和一個(gè)讀電流。其中，寫(xiě)電流流經(jīng)寫(xiě)位線BLl (2f)、導(dǎo)通孔 (3d)、過(guò)渡金屬層Qe)和GMR多層膜部分，而讀電流流經(jīng)讀位線BL2(2g)、導(dǎo)通孔(3d)和完整磁性多層膜部分。該磁性多層膜包括自上而下包括頂部釘扎層(未示出)、頂部被釘扎磁性層PL、絕緣層I、自由層FL、非磁性金屬層M、底部被釘扎磁性層PL和底部釘扎層(未示出)。圖5B、5C分別是沿圖5A的MRAM存儲(chǔ)單元的GMR多層膜和完整磁性多層膜垂直剖切的剖面圖。從這兩個(gè)圖中可以看出，整個(gè)MRAM存儲(chǔ)單元包括層la、lb、lC、ld、le，其中金屬布線層有兩層，即寫(xiě)位線BLl (2f)和讀位線BL2(2g)所在層ld，以及地線GND Qb)和過(guò)渡金屬層TMQc)所在層lb。兩條位線BLl(2f)、BL2(2g)分別布置在磁性多層膜ML(5)的上方，相互之間通過(guò)絕緣掩埋介質(zhì)隔開(kāi)，并且二者與字線Oa)相互垂直。磁性多層膜ML(5)布置在寫(xiě)位線BLl(2f)、讀位線BL2(2g)的正下方，其中GMR多層膜部分和寫(xiě)位線BLl (2f)通過(guò)過(guò)渡金屬層( )、金屬導(dǎo)通孔(3d)相連，完整磁性多層膜部分與讀位線BL2(2g)通過(guò)金屬接觸孔(3d)和讀位線BLl (2g)相連。磁性多層膜ML (5) 底部通過(guò)過(guò)渡金屬層(2d)、接觸孔(3c)、過(guò)渡金屬層TMQc)、接觸孔(3b)與晶體管的漏極 (Ob)相連，地線GND Qb)通過(guò)接觸孔(3a)和晶體管的源極(Oa)相連。字線(2a)是所述晶體管(0)的柵極(Oc)，這些層中的非功能區(qū)域由絕緣掩埋介質(zhì)如SiO2等掩埋。為了便于理解，該MRAM存儲(chǔ)單元簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)示意圖可參看圖5D。在MRAM的尋址讀出操作中，首先由被選擇的字線ffU2a)給出一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娖绞咕w管TR(O)工作于導(dǎo)通狀態(tài)，然后由被選擇的讀位線BL2(2g)相應(yīng)地導(dǎo)出一個(gè)讀出電流， 該讀出電流小于臨界電流1。(1。= j。X磁性多層膜的整個(gè)面積，j。= IXlO2 IXlO4A/ cm2)，經(jīng)由接觸孔(3d)、磁性多層膜ML (5)的完整部分(即GMR多層膜+MTJ多層膜部分)、 過(guò)渡金屬層TMQd)、接觸孔(3c)、過(guò)渡金屬層TMQc)、接觸孔C3b)、晶體管TR(O)的漏極 (Ob)、晶體管TR(O)的源極(Oa)、接觸孔(3a)而到達(dá)地線GND (2b)，從而獲得磁性多層膜 ML (5)的比特層(即自由層)當(dāng)前的磁化狀態(tài)，即獲得MRAM存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。在MRAM的尋址寫(xiě)入操作中，首先由被選擇的字線ffU2a)給出一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娖绞咕w管TR(O)工作于導(dǎo)通狀態(tài)，然后由被選擇的寫(xiě)位線BL2(2f)導(dǎo)出一個(gè)大于某一臨界電流Ic的電流(I。= j。X磁性多層膜存儲(chǔ)單元的面積，j。= 2X IO6 1 X 108A/m2)，經(jīng)由接觸孔(3d)、過(guò)渡金屬層TMQe)、到達(dá)磁性多層膜ML(5)的GMR多層膜部分(即產(chǎn)生GMR巨磁電阻效應(yīng)部分)，當(dāng)該電流穿過(guò)GMR多層膜時(shí)，通過(guò)產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)可以使得GMR多層膜部分中的自由層的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這樣電流接著通過(guò)過(guò)渡金屬層(2d)、接觸孔(3c)、 過(guò)渡金屬層TMQc)、接觸孔(3b)、晶體管TR(O)的漏極(Ob)、晶體管TR(O)的源極(Oa)、接觸孔(3a)而到達(dá)地線GNDQb)。通過(guò)改變施加在寫(xiě)位線BLl (2f)上的電流方向，就可以實(shí)現(xiàn)ML (5)的GMR多層膜部分中自由層磁矩的平行和反平行，進(jìn)而帶動(dòng)完整磁性多層膜部分 (即GMR多層膜+MTJ多層膜部分)的自由層的磁矩的翻轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)其高低阻態(tài)的變化，這樣就完成了對(duì)MRAM存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)的寫(xiě)入。在本示例中，寫(xiě)位線BLl (2f)通過(guò)金屬接觸孔(3d)、過(guò)渡金屬層2e與所述磁性多層膜ML (5)的GMR多層膜部分相連，然而這僅作為一個(gè)示意性的舉例，其他能夠使寫(xiě)電流穿過(guò)GMR多層膜進(jìn)而基于自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)來(lái)翻轉(zhuǎn)自由層磁矩的多層膜結(jié)構(gòu)均可以在此使用，例如以下在示例2中所描述的MRAM存儲(chǔ)單元。示例2 基于構(gòu)型B的磁性多層膜的MRAM存儲(chǔ)單元圖6A是本發(fā)明另一示例性的MRAM存儲(chǔ)單元的磁性多層膜的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，其中示出了讀寫(xiě)電流所流經(jīng)的磁性多層膜及其上的一部分。從圖中可以看出，該存儲(chǔ)單元中的磁性多層膜采用上文中提到的構(gòu)型B，因此相應(yīng)地具有兩個(gè)寫(xiě)電流和一個(gè)讀電流。其中，兩個(gè)寫(xiě)電流分別流經(jīng)寫(xiě)位線BLl (2f)和BL3(aO，然后通過(guò)導(dǎo)通孔(3d)、過(guò)渡金屬層Qe)和磁性多層膜的GMR多層膜部分，而讀電流流經(jīng)讀位線BL2(2g)、導(dǎo)通孔(3d)和完整磁性多層膜部分。該磁性多層膜的各層與示例1相同，此處不再贅述。圖6B是沿圖6A的MRAM存儲(chǔ)單元中具有完整磁性多層膜部分垂直剖切的剖面圖。 圖6C和6D是沿GMR多層膜垂直剖切的剖面圖。和示例1中MRAM存儲(chǔ)單元相類似，整個(gè) MRAM存儲(chǔ)單元包括層la、lb、lc、Id、le，其中金屬布線層有兩層，Id和lb。不同的是，在Id 層中，設(shè)置有兩條寫(xiě)位線，即寫(xiě)位線BLl (2f)和BL3(aO，以及一條讀位線BL2(2g)。類似地，這三條位線分別布置在磁性多層膜ML (5)的上方，相互之間通過(guò)絕緣掩埋介質(zhì)隔開(kāi)，并且三者與字線Oa)相互垂直。為了便于理解，該MRAM存儲(chǔ)單元簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)示意圖可參看圖6E。在MRAM的尋址讀出操作中，首先由被選擇的字線ffU2a)給出一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娖绞咕w管TR(O)工作于導(dǎo)通狀態(tài)，然后由被選擇的讀位線BL2(2g)相應(yīng)地導(dǎo)出一個(gè)讀出電流，該讀出電流小于臨界電流I。(I。= j。X磁性多層膜存儲(chǔ)單元的面積，j。= IXlO2 lX104A/cm2)，經(jīng)由接觸孔(3d)、磁性多層膜ML(5)的完整部分(即GMR多層膜+MTJ多層膜部分)、過(guò)渡金屬層(2d)、接觸孔(3c)、過(guò)渡金屬層TMQc)、接觸孔C3b)、晶體管TR(O)的漏極(Ob)、晶體管TR(O)的源極(Oa)、接觸孔(3a)而到達(dá)地線GND (2b)，從而獲得磁性多層膜ML(5)的自由層的當(dāng)前的磁化狀態(tài)，即獲得MRAM存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。在MRAM的尋址寫(xiě)入操作中，首先由被選擇的字線ffU2a)給出一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娖绞咕w管TR(O)工作于導(dǎo)通狀態(tài)，然后由被選擇的寫(xiě)位線BLl (2f)、BL3 Qh)同時(shí)導(dǎo)出一個(gè)大于某一臨界電流I。的電流(I。= j。X磁性多層膜存儲(chǔ)單元的面積，j。= 2X IO6 1 X IO8A/ cm2)，經(jīng)由接觸孔(3d)、過(guò)渡金屬層( )，到達(dá)磁性多層膜ML (5)的GMR多層膜部分，電流通過(guò)自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)可以使得GMR多層膜部分鐵磁性層的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這樣電流接著通過(guò)過(guò)渡金屬層(2d)、接觸孔(3c)、過(guò)渡金屬層TMQc)、接觸孔(3b)、晶體管TR(O)的漏極 (Ob)、晶體管TR(O)的源極(Oa)、接觸孔(3a)而到達(dá)地線GNDQb)。通過(guò)改變施加在寫(xiě)位線BLl (2f)、BL3 (2h)上的電流方向，就可以實(shí)現(xiàn)GMR多層膜部分中自由層中磁矩的平行和反平行，進(jìn)爾帶動(dòng)完整磁性多層膜部分的自由層的磁矩的翻轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)其高低阻態(tài)的變化， 這樣就完成了對(duì)MRAM存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)的寫(xiě)入。
在本發(fā)明中，磁性多層膜的橫截面優(yōu)選為矩形或橢圓形。對(duì)一端寫(xiě)入的存儲(chǔ)單元， 矩形的寬度在20 200nm之間，寬度與長(zhǎng)度的比值為1 4 1 5 ；橢圓形的短軸可以在20 200nm之間，短軸與長(zhǎng)軸的比值可以為1 4 1 5。而對(duì)兩端寫(xiě)入的存儲(chǔ)單元， 矩形的寬度在20 200nm之間，寬度與長(zhǎng)度的比值為1 5 1 6 ；橢圓形的短軸可以在20 200nm之間，短軸與長(zhǎng)軸的比值可以為1 5 1 6。上述條件是為了更好地保持結(jié)所具有的形狀各向異性，使其易軸為長(zhǎng)軸方向。在本發(fā)明中，用于GMR和MTJ多層膜結(jié)構(gòu)中各層的材料已是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知， 包括但不限于以下的例子1)反鐵磁釘扎層例如 Ir22Mn78, Fe5tlMn5tl, Pt50Mn50, Cr50Mn50, Cr50Pt50, NiO 或 CoO 等；2)絕緣層 I 由絕緣材料制成，例如 A10x、MgO、Al1^xGaxAs, GaAs, In1^xGaxAs, Al1^xInxAs, GaN、CdS, CaMnO3> NaCUTiO2, HfO2, ZrO, A1N、SrTiO3 或諸如吡咯、塞酚、Alq3 (八羥基喹啉鋁)、單層石墨、無(wú)定性炭等的有機(jī)材料；3)鐵磁性層FL以及PL包括面內(nèi)各向異性的材料過(guò)渡金屬、過(guò)渡金屬化合物及摻雜過(guò)渡金屬化合物，例如 Fe、Co、Ni或它們的合金C0l_x_/exBy(其中0 < χ < 1，0 < y彡0. 2)；以及磁性半導(dǎo)體，例如=Ga1^xMnxAs (其中 0 < χ < 0. 2)、Zn1JMnxO (其中 0 < χ < 0. 2)、Ga1^xMnxN (其中 0 < χ < 0. 2)、Ga1^xMnx P (其中 0 < χ < 0. 2)、IVxCoxO (其中 0 < χ < 0. 2) ； (La1^xAx)MnO3 (Α 代表二價(jià)堿土金屬元素Ca、Sr、Ba，其中0. 2 < χ < 0. 4)、Fe3O4等；垂直各向異性材料例如!^e-Pt合金，Co-Ni合金，Co-Pt合金，Co-Pd合金， Gd-Fe-Co 合金，Tb-Fe-Co 合金等；半金屬材料例如Co2FeAl、Co2MnSi、Co2MnGe, Co2MnGa, Co2Cra6FeQ 4Al、Co2FeSi、 Co2FeSiB, Ni2MnSK Pt2MnSb 等。4)非磁性金屬層M由非磁性金屬材料制成，例如Cu、Cr、Zn、Ti、Mn、V、Sc、I1EU Ag、 Ru或Au等；5)對(duì)于無(wú)釘扎結(jié)構(gòu)的鐵磁層來(lái)說(shuō)，其中的硬鐵磁性層通常由稀土金屬或其化合物制成，例如 Ncy7e14BAsmccvSmColPSm2 (Fe，Co) 17N3> NdFeTNx(T = Ti, V, Mo)等。由于本發(fā)明使用了 GMR多層膜部分進(jìn)行寫(xiě)入，其全金屬結(jié)電阻小，有利于滿足磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器低能耗和小功率的要求，并且可以有效避免存儲(chǔ)單元在高密度電流反復(fù)無(wú)限次寫(xiě)入時(shí)造成勢(shì)壘的損壞和存儲(chǔ)單元的失效，達(dá)到長(zhǎng)壽命的目的。而數(shù)據(jù)讀出時(shí)，只利用小電流通過(guò)磁性隧道結(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取可以保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元不被隧穿電流所損傷。應(yīng)該理解，磁性多層膜的各種變化同樣適于MRAM存儲(chǔ)單元中的磁性多層膜。盡管參照上述的實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明作出具體描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)該理解可以在不脫離本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)基于本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容進(jìn)行修改或改進(jìn)，這些修改和改進(jìn)都在本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于MRAM的磁性多層膜，該磁性多層膜包括用于產(chǎn)生TMR效應(yīng)的MTJ多層膜和位于該MTJ多層膜以下的用于產(chǎn)生GMR效應(yīng)的GMR多層膜，其中MTJ多層膜和GMR多層膜共用自由層，其特征在于所述GMR多層膜的相鄰于MTJ多層膜一側(cè)的至少一部分被暴露，穿過(guò)該暴露部分的電流用于翻轉(zhuǎn)所述自由層磁矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性多層膜，其特征在于，所述GMR多層膜暴露出多個(gè)部分， 該多個(gè)部分彼此之間相互隔開(kāi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性多層膜，其特征在于，所述GMR多層膜暴露出一個(gè)部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性多層膜，其特征在于，所述自由層為由鐵磁性材料制成的鐵磁性層，該鐵磁性材料具有水平或垂直磁晶各向異性。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁性多層膜，其特征在于，所述GMR多層膜包括硬鐵磁性層、 非磁性金屬層和所共用的鐵磁性層，所述MTJ多層膜包括所共用的鐵磁性層、絕緣層和硬鐵磁性層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁性多層膜，其特征在于，所述GMR多層膜或MTJ多層膜或這二者中的硬鐵磁性層具有釘扎結(jié)構(gòu)。
7.—種MRAM存儲(chǔ)單元，其特征在于，包括權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的磁性多層膜。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求7所述MRAM存儲(chǔ)單元的寫(xiě)入方法，其特征在于，寫(xiě)電流穿過(guò)暴露的GMR多層膜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述寫(xiě)電流大于翻轉(zhuǎn)自由層磁矩所需的臨界電流。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求7所述的MRAM存儲(chǔ)單元的讀出方法，其特征在于，讀電流穿過(guò)所述磁性多層膜中GMR多層膜和MTJ多層膜的完整部分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁性多層膜及其MRAM存儲(chǔ)單元。其中，磁性多層膜包括用于產(chǎn)生TMR效應(yīng)的MTJ多層膜和位于該MTJ多層膜以下的用于產(chǎn)生GMR效應(yīng)的GMR多層膜，其中MTJ多層膜和GMR多層膜共用自由層，其中所述GMR多層膜的相鄰于MTJ多層膜一側(cè)的至少一部分被暴露，穿過(guò)該暴露部分的電流用于翻轉(zhuǎn)所述自由層磁矩。采用本發(fā)明的磁性多層膜可以有效降低器件使用時(shí)的功耗，同時(shí)避免存儲(chǔ)單元在高密度電流反復(fù)無(wú)限次寫(xiě)入時(shí)造成勢(shì)壘的損壞和存儲(chǔ)單元的失效，達(dá)到長(zhǎng)壽命的目的。
文檔編號(hào)G11C11/15GK102376345SQ20101025976
公開(kāi)日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者于國(guó)強(qiáng), 詹文山, 韓秀峰, 魏紅祥 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所