專利名稱：穩(wěn)定的磁存貯單元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁存貯器領域。更具體地，本發(fā)明涉及在磁存貯器中提供一種穩(wěn)定的磁存貯單元。
諸如磁隨機存取存貯器(MRAM)等磁存貯器通常包括一磁存貯單元陣列。每個磁存貯單元通常包括一數據存儲層和一參考層。數據存儲層通常是在可以通過施加外部磁場而改變的取向上的磁化圖形的一層磁性材料或一磁性材料薄膜，該參考層通過是一層磁性材料，其中的磁化被固定或“釘住”在一特定方向上。
在磁存貯單元的數據存儲層中的磁化圖形通過包括兩個不同的磁化區(qū)——其內部區(qū)和邊緣區(qū)。在內部區(qū)中的磁化通常對準的是一般稱為的數據存儲層的易軸(easy axis)。在邊緣區(qū)中的磁化趨于沿相應的邊對準。在磁存貯單元的數據存儲層中的總磁化取向根據內部區(qū)的磁化以及邊緣區(qū)的磁化產生。
通常，磁存貯單元的狀態(tài)依賴于其數據存儲和參考層的相對磁化取向。如果一磁存貯單元的數據存儲層的總磁化取向平行于其參考層的磁化取向，則該磁存貯單元通常處于低電阻狀態(tài)。相反，如果其數據存儲層的總磁化取向反平行于其參考層的磁化取向，則該磁存貯單元通常處于高電阻狀態(tài)。
通常，存儲在磁存貯單元中的位的邏輯狀態(tài)通過施加外部磁場被寫入，該磁場改變數據存儲層中的總磁化取向。該外部磁場可稱作切換磁場，該切換磁場在其高和低電阻狀態(tài)之間切換磁存貯單元。穩(wěn)定磁存貯單元可被定義為一種保持其高或低電阻狀態(tài)直到被一適當定義的切換磁場切換為止的磁存貯單元。
磁存貯器的制造工藝通常在靠近單個磁存貯單元的數據存儲層的邊緣地方產生表面不規(guī)則性。例如，這種表面不規(guī)則性可以由在形成數據存儲層的邊緣的構圖步驟中的不精確引起。在磁存貯器中，當在光刻范圍內形成較小的元件以便實現較高的存儲密度時，這種影響通常變得更加明顯。不幸的是，這種表面不規(guī)則性可致使個別的磁存貯單元不穩(wěn)定。例如，這種表面不規(guī)則性可在數據存儲層的邊緣區(qū)中產生具有不可預測或隨機的取向和切換性能的磁圖形。
使這些負面影響最小化的一種現有解決方案是將每個數據存儲層構成為具有沿其易軸伸長的尺寸的矩形。與來自邊緣的作用相比，這種結構通常增加了易軸對數據存儲層中的最終磁化方向的作用。不幸的是，在寫操作中，這種矩形配置通常需要更多的能量以翻轉數據存儲層中的磁化方向，從而增加了使用這種結構的MRAM的功耗。另外，這種矩形磁存貯單元通常限制了可以被包含在MRAM中的總的存貯單元密度。
本發(fā)明公開了一種穩(wěn)定的磁存貯單元，包括一具有內部區(qū)和一對端部區(qū)的數據存儲層，該對端部區(qū)靠近該數據存儲層的一對相對邊。該穩(wěn)定的磁存貯單元包括一穩(wěn)定材料，該材料將端部區(qū)的磁化固定至一預定方向，借此在端部區(qū)中消除了隨機取向的磁化圖形，從而導致該磁存貯單元的可預測的切換性能。
本發(fā)明還公開了一種用于穩(wěn)定磁存貯單元的方法，該方法采用了一系列寫入場(write field)，以便在磁存貯單元的端部區(qū)中消除隨機定向的磁化圖形。
本發(fā)明的其它性能和優(yōu)點將根據下面的詳細描述而變得明白。
本發(fā)明根據其具體的示范性實施例進行描述，因此對附圖進行參考，其中

圖1a-1b描述了一穩(wěn)定的磁存貯單元實施例；-圖2a-2b描述了在數據存儲層中用于磁存貯單元的兩個穩(wěn)定狀態(tài)的磁化取向；圖3示出了一種用于穩(wěn)定一磁存貯單元的方法；圖4是一包括磁存貯單元陣列的磁存貯器的頂視圖。
圖1a-1b描述了一穩(wěn)定的磁存貯單元40的實施例。磁存貯單元40包括一存儲可變磁場的數據存儲層50和一具有固定磁取方向的參考層54。磁存貯單元40還包括在靠近數據存儲層50的相對邊緣的一對端部區(qū)57-58中的一些固定磁化取向的穩(wěn)定材料層55-56。
在該實施例中，磁存貯單元40包括位于數據存儲層50與參考層54之間的隧道阻擋層52。磁存貯單元40的這種結構可被稱作自旋(spin)隧道器件，在該器件的讀操作期間，電荷通過隧道阻擋層52遷移。這種通過隧道阻擋層52的電荷遷移是由于公知的自旋隧道現象并且在一讀電壓加到磁存貯單元40時發(fā)生。在一替換實施例中，一巨型磁阻(GMR)結構可被用于磁存貯單元40中。
圖1a示出了磁存貯單元40的截面圖。圖1b示出了磁存貯單元40的剖面頂視圖。端部區(qū)57-58對應于數據存儲層50的一對相對邊，該對相對邊垂直于數據存儲層50的易軸。數據存儲層50的易軸與圖示的x軸平行。
在一實施例中，穩(wěn)定材料層55-56固定端部區(qū)57-58中的磁化取向到一基本上平行于y軸的方向。在一替換實施例中，穩(wěn)定材料層55-56固定端部區(qū)57-58中的磁化取向到一基本上反平行于y軸的方向。
穩(wěn)定材料55-56不僅固定在端部區(qū)57-58中的磁化方向，而且提供了用于層50-54的邊緣的絕緣并防止電耦合至用于提供對磁存貯單元40的讀寫訪問的導體。在一個實施例中，穩(wěn)定材料55-56為鎳氧化物材料，該鎳氧化物材料提供反鐵磁性能以固定端部區(qū)57-58并且提供適當的絕緣性能。在另外的一些實施例中，諸如Fe2O3或永磁材料等其它反鐵磁材料可用于穩(wěn)定材料55-56。
在其中的磁存貯單元40為GMR結構的一些實施例中，可不需要穩(wěn)定材料55-56的絕緣性能，使得諸如鎳錳等材料是適用的。在這樣的實施例中，穩(wěn)定材料55-56將用作用于相鄰GMR單元的導體以及用于各個GMR單元邊緣的導體。
在一個實施例中，尺寸dx和dy被選擇為基本上相等并且構成用于數據存儲層50的正方形。與采用矩形存貯單元時獲得的相比，該數據存儲層50的正方形可增強在MRAM中獲得的密度。這樣，對于一給定的最小部件尺寸，與矩形磁存貯單元相比，在一給定的基片面積上可以形成更多的正方形磁存貯單元。在其它的實施例中，可以采用矩形。
參考層54可以是諸如鎳鐵(NiFe)等坡莫合金層，該層被耦合至一固定坡莫合金層磁化取向的反鐵磁層。反鐵磁材料可以是鐵錳(FeMn)或鎳錳(NiMn)。用于該反鐵磁材料的可替換材料包括NiO、TbCo、PtMn和IrMn。
圖2a-2b說明了在數據存儲層50中用于磁存貯單元40的兩個穩(wěn)定狀態(tài)的磁化取向。圖2a示出了第一穩(wěn)定狀態(tài)，而圖2b示出了第二穩(wěn)定狀態(tài)。
響應施加的切換磁場，在數據存儲層50的內部的磁化圍繞x軸和數據存儲層50的易軸旋轉。在數據存儲層50的內部的磁化在第一穩(wěn)定狀態(tài)中基本上取向與x軸反平行的方向，而在第二穩(wěn)定狀態(tài)中基本上取向與x軸平行的方向。
在端部區(qū)57-58中的磁場被固定在基本上垂直于數據存儲層50的易軸的方向上。這樣防止了第一或第二穩(wěn)定狀態(tài)的其中之一比另一個更穩(wěn)定。
圖3示出一種用于穩(wěn)定磁存貯單元40的方法。該方法采用了一偏置磁場，以便在施加一切換磁場之前，最小化在數據存儲層50中隨機取向的磁化圖形的小區(qū)域。該偏置磁場減小了在數據存儲層50的側面區(qū)域中的自由磁極數，這樣減少了不需要的范圍內的成核位置(nucleation site)。數據存儲層50的側面區(qū)域是靠近與易軸平行的數據存儲層50的相對邊的區(qū)域。
包括步驟100-106的用于穩(wěn)定磁存貯單元40的方法被作為一個例子描述，其中，在數據存儲層40內部的磁化取向基本上在正x方向，而在端部區(qū)57-58中的磁化方向處于正y方向。
在步驟102中，施加一磁場以旋轉端部區(qū)57-58中的磁化朝向所需的方向并且減少端部區(qū)57-58中的自由磁極。在一個實施例中，該所需的方向是正y方向(Hy+)。在該例中，在步驟102中施加的磁場處于正y方向。在步驟102開始時，由于在數據存儲層50的側面區(qū)中的磁化處于正x方向，因此磁化的反轉通過旋轉而不是域核化(domain mucleation)進行。該Hy+磁場對端部區(qū)57-58起一偏置磁場的作用，以減少自由磁極數并且對準端部區(qū)57-58中的磁化到正y方向上。
在步驟104中，施加一磁場以旋轉數據存儲層50內部的磁化取向，使其朝向所需的邏輯狀態(tài)。該步驟寫磁存貯單元40為一對應位的所需第一或第二邏輯狀態(tài)。在該例中，采用一在負x方向(Hx-)上的磁場將磁化方向旋轉到負x方向。在步驟104后，在端部區(qū)57-58中和數據存儲層50的側面區(qū)中的磁化主要處于正y方向。磁化的反轉是通過旋轉而不是域核化。在步驟104后的數據存儲層中的總磁化最靠近負x方向和易軸。
在步驟106中，在步驟102中施加的磁場被消除。在數據存儲層50的內部區(qū)中的磁化變成主要取向x軸方向。
在步驟108中，在步驟104中施加的磁場被消除。在數據存儲層50中的磁化保持在定義所需邏輯狀態(tài)的方向，該方向在本例中為負x方向。
在另一實施例中，在步驟102之前，施加一磁場以減少在數據存儲層50的側面區(qū)中的自由磁極。該磁場的方向通過讀當前的位狀態(tài)來確定。該磁場被施加在與當前的位狀態(tài)相同的方向上。在該例中，在步驟100中施加的磁場是一在正x方向(Hx+)上的磁場。
不管端部區(qū)57-58怎樣如圖1a-1b所示固定，方法步驟100-108都可用于磁存貯單元40。
圖4是包括一磁存貯單元陣列的磁存貯器10的頂視圖，該陣列由磁存貯單元40和另外的磁存貯單元41-43一起構成。磁存貯器10還包括導體20-21和30-31的陣列，允許對磁存貯單元40-43的讀寫訪問。導體30-31是頂部導體，而導體20-21是正交的低部導體。每個磁存貯單元40-43具有尺寸dx和dy。
通過施加電流至導體20-21和30-31，磁存貯單元40-43被穩(wěn)定并且其邏輯狀態(tài)被操縱。例如，根據右手定則，在+x方向施加到導體30的一電流在數據存儲層50中產生在+y方向上的磁場(Hy+)。在-x方向施加到導體30的一電流在數據存儲層50中產生在-y方向上的磁場。類似地，在+y方向施加到導體20的一電流在數據存儲層50中產生在+x方向上的磁場(Hx+)，而在-y方向施加到導體20的一電流在數據存儲層50中產生在-x方向上的磁場(Hx-)。這些感應的磁場Hx+、Hx-、Hy+、Hy-可以用于穩(wěn)定和/或寫磁存貯單元40的邏輯狀態(tài)。
本發(fā)明的上述詳細描述被提供用于說明的目的并且不認為是窮舉的或者是將本發(fā)明限于所公開的精確實施例。因此，本發(fā)明的范圍由后附的權利要求定義。
權利要求
1.一種磁存貯單元，包括一具有內部區(qū)和一對端部區(qū)的數據存儲層(50)，該對端部區(qū)(57-58)靠近該數據存儲層的一對相對邊；材料(55-56)，該材料在數據存儲層(50)的上表面上與端部區(qū)(57-58)重疊，該材料(55-56)在提供一用于該磁存貯單元的絕緣層的同時，通過固定端部區(qū)(57-58)中的磁化至一預定方向來穩(wěn)定該磁存貯單元。
2.權利要求1的磁存貯單元，其中該預定方向是基本上垂直于數據存儲層(50)的易軸。
3.權利要求1的磁存貯單元，其中該相對邊緣垂直于數據存儲層(50)的易軸。
4.權利要求1的磁存貯單元，其中該材料(55-56)是一種還提供絕緣性能的反鐵磁材料。
5.權利要求4的磁存貯單元，其中該反鐵磁材料是鎳氧化物。
6.權利要求4的磁存貯單元，其中該反鐵磁材料是Fe2O3。
7.權利要求1的磁存貯單元，其中該材料(55-56)是一種永磁體。
8.權利要求1的磁存貯單元，其中，邏輯狀態(tài)采用下列步驟被寫入磁存貯單元施加一磁場，該磁場旋轉數據存儲層(50)的端部區(qū)(57-58)中的磁化以減少在端部區(qū)(57-58)中的自由磁極；施加一磁場，該磁場旋轉內部區(qū)中的磁化方向到一用于該邏輯狀態(tài)的所需方向。
9.權利要求8的磁存貯單元，其中，該邏輯狀態(tài)采用下列附加步驟被寫入磁存貯單元在施加一旋轉端部區(qū)(57-58)中的磁化的磁場之前，施加一減少在數據存儲層(50)的一對相對側面區(qū)中的自由磁極的磁場。
10.權利要求8的磁存貯單元，其中，該邏輯狀態(tài)采用下列附加步驟被寫入磁存貯單元消除旋轉端部區(qū)(57-58)中的磁化的磁場；消除旋轉內部區(qū)中的磁化取向的磁場。
11.一種用于穩(wěn)定磁存貯單元的方法，包括步驟施加一磁場，該磁場旋轉磁存貯單元的數據存儲層(50)的一對相對端部區(qū)(57-58)中的磁化以減少在該端部區(qū)(57-58)中的自由磁極；施加一磁場，該磁場旋轉數據存儲層(50)的內部區(qū)中的磁化取向到一用于邏輯狀態(tài)的所需方向。
12.權利要求11的方法，其中所需方向基本上平行于數據存儲層(50)的易軸。
13.權利要求11的方法，其中所需方向基本上反平行于數據存儲層(50)的易軸。
14.權利要求11的方法，其中旋轉相對端部區(qū)(57-58)中的磁化的磁場基本上正交于旋轉內部區(qū)中的磁化取向的磁場。
15.權利要求11的方法，還包括步驟施加一減少在數據存儲層(50)的一對相對側面區(qū)中的自由磁極的磁場。
16.權利要求11的方法，其中施加一減少在數據存儲層(50)的一對相對側面區(qū)中的自由磁極的磁場的步驟在施加旋轉相對端部區(qū)(57-58)中的磁化的磁場之前進行。
17.權利要求16的方法，其中減少側面區(qū)中的自由磁極的磁場基本上平行于旋轉內部區(qū)中的磁化取向的磁場。
18.權利要求11的方法，還包括消除旋轉數據存儲層(50)的相對端部區(qū)(57-58)中的磁化的磁場的步驟。
19.權利要求11的方法，還包括消除旋轉數據存儲層(50)的內部區(qū)中的磁化取向的磁場的步驟。
20.權利要求11的方法，還包括在磁存貯單元中提供穩(wěn)定材料(55-56)的步驟，該穩(wěn)定材料(55-56)固定端部區(qū)(57-58)中的磁化至預定方向。
全文摘要
一種穩(wěn)定的磁存貯單元,包括:一具有內部區(qū)和一對端部區(qū)57—58的數據存儲層50和穩(wěn)定材料55—56,該端部區(qū)靠近該數據存儲層50的一對相對邊,該材料固定端部區(qū)57—58中的磁化至一預定方向。一種用于穩(wěn)定磁存貯單元的方法,包括施加一磁場的步驟,該磁場旋轉磁存貯單元的數據存儲層(50)的一對相對側面區(qū)中的磁化以朝向一預定方向并且減少在磁存貯單元的一對相對端部區(qū)57—58中的自由磁極,借此減少端部區(qū)57—58中的不可預知的切換性能的可能性。
文檔編號G11C11/14GK1247367SQ9911194
公開日2000年3月15日 申請日期1999年8月4日 優(yōu)先權日1998年9月4日
發(fā)明者J·A·布魯特, T·C·安東尼, M·K·巴塔查亞 申請人:惠普公司