專利名稱：適于用作亞微米存儲(chǔ)器的增強(qiáng)磁穩(wěn)定性裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在不同層之間具有反平行耦合的磁性裝置，尤其涉及非易失性磁存儲(chǔ)器，還涉及磁記錄和磁傳感器的讀出磁頭以及使用這種裝置的方法。
目前多家公司認(rèn)為磁或磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)是快閃存儲(chǔ)器的繼任產(chǎn)品。非易失存儲(chǔ)裝置，這意味著不需要能量來(lái)維持存儲(chǔ)的信息?？梢钥闯鲞@優(yōu)于絕大多數(shù)其它類型的存儲(chǔ)器。
MRAM概念最初發(fā)展于美國(guó)的Honeywell公司，在磁多層裝置中使用磁化方向作為信息存儲(chǔ)和用于信息讀出的生成的阻抗差異。對(duì)于所有的存儲(chǔ)裝置，在MRAM陣列中的每個(gè)單元必須能夠存儲(chǔ)至少兩種狀態(tài)，表現(xiàn)為“1”或“0”。
存在不同種類的磁阻(MR)效應(yīng)，目前最重要的是巨磁阻(GMR)和遂道磁阻(TMR)。GMR效應(yīng)和TMR或磁隧道結(jié)(MTJ)或自旋依賴隧穿(SDT)效應(yīng)提供了實(shí)現(xiàn)a.o.非易失性磁存儲(chǔ)器的可能。這些裝置包括其至少兩個(gè)為鐵磁性和亞鐵磁性的薄膜的疊層，并由非磁性中間層分隔的。GMR是具有導(dǎo)體中間層結(jié)構(gòu)的磁阻，TMR是具有介電中間層結(jié)構(gòu)的磁阻。如果在兩個(gè)鐵磁性和亞鐵磁性膜之間放置非常薄的導(dǎo)體，那么當(dāng)膜的磁化方向平行時(shí)復(fù)合多層結(jié)構(gòu)的有效面內(nèi)電阻最小，當(dāng)膜的磁化方向反平行時(shí)最大。如果在兩個(gè)鐵磁性或亞鐵磁性膜之間放置薄介電中間層，則當(dāng)膜的磁化方向平行時(shí)，觀察到膜之間的隧穿電流最大(或者因而電阻最小)，并且當(dāng)膜的磁化方向反平行時(shí)，膜之間的隧穿電流最小(或者因而電阻最大)。
磁阻通常測(cè)量為從平行到反平行磁化狀態(tài)的上述結(jié)構(gòu)的電阻增加的百分比。TMR裝置提供了比GMR結(jié)構(gòu)更高百分比的磁阻，由此具有更高信號(hào)和更高速度的潛能。最近的結(jié)果表明與優(yōu)良GMR單元中6-9％磁阻相比，隧穿提供了高于40％的磁阻。
GMR裝置引起關(guān)注的類型是廣為公知的自旋閥，如在J.M.Daughton等的“Applications of spin dependent transportmaterials”J.Phys.DAppl.Phys.32 (1999)R169-177中所介紹的。在該結(jié)構(gòu)中，一鐵磁性層的磁化與反鐵磁性材料層(例如MnO或MnFe)被釘扎(pin)在一個(gè)方向中。其它層的磁化自由旋轉(zhuǎn)，但是隨著位變得非常窄，它趨向于在可再生和穩(wěn)定狀態(tài)中相對(duì)于釘扎層平行或反平行對(duì)準(zhǔn)。這些取向?qū)?yīng)磁存儲(chǔ)位的“0”或“1”狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)鐵磁化層中的磁化從平行(低阻)態(tài)轉(zhuǎn)換到反平行(高阻)態(tài)時(shí)，觀察到電阻的變化，反之亦然。通過(guò)測(cè)量電阻可以測(cè)量單元的狀態(tài)。
US-6252796也介紹了這種自旋閥單元，其中在層中使用電流來(lái)將強(qiáng)反平行耦合層的磁化方向作為整體進(jìn)行轉(zhuǎn)換或重置，即，總是為反平行耦合。
偽自旋閥(PSV)單元也是公知的，如在J.M.Daughton等的“Applications of spin dependent transport materials”，J.Phys.DAppl.Phys.32(1999)R169-177中所介紹的。

圖1示意示出典型的偽自旋閥疊層1。在這些裝置中，存在兩個(gè)磁性層2、3，其具有不匹配的性質(zhì)，即兩個(gè)鐵磁性或亞鐵磁性層2、3具有不同的矯頑力，從而一個(gè)趨向于在比另一個(gè)更低的磁場(chǎng)下轉(zhuǎn)換。鐵磁性層的矯頑力可以看作使磁化變化方向所需的磁場(chǎng)。通過(guò)中間層4例如通過(guò)Cu間隔層分隔磁性層2、3。在底磁層2下設(shè)置籽晶層5以在其下面具有良好的結(jié)構(gòu)，在頂磁層3的頂上設(shè)置覆蓋層6，例如Ta覆蓋層，作為抗氧化層。
例如通過(guò)相同材料但具有不同厚度的兩個(gè)磁性膜來(lái)提供具有不同矯頑力的磁性層2、3。在這種情況中，較薄膜3在較低磁場(chǎng)下轉(zhuǎn)換，并且為低矯頑性層或“軟”膜，較厚膜2在較高磁場(chǎng)下轉(zhuǎn)換，并且為高矯頑性層或“硬”膜。應(yīng)用相對(duì)弱磁場(chǎng)僅可以改變“較軟磁性”層3的磁性取向，而強(qiáng)磁場(chǎng)可以轉(zhuǎn)換層2、3的磁化方向。在硬膜2的磁化方向與軟膜3的磁化方向?qū)?zhǔn)的磁場(chǎng)下，偽自旋閥單元1的電阻最低。
為了在偽自旋閥MRAM單元中寫(xiě)入“1”或“0”，分別向那個(gè)單元施加正負(fù)磁場(chǎng)，其足夠強(qiáng)以改變高矯頑性層2的磁化方向。高矯頑性層2還公知作為“存儲(chǔ)層”。通過(guò)施加足夠強(qiáng)使高矯頑性層2確定磁化方向的磁場(chǎng)，也就確定了低矯頑性層3的磁化方向。通過(guò)直接在磁性元件上并感應(yīng)耦合到其上而制造的導(dǎo)體來(lái)進(jìn)行寫(xiě)入。向下穿過(guò)導(dǎo)體的電流脈沖生成與導(dǎo)體平面平行并與其表面接近的磁場(chǎng)。應(yīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)寫(xiě)入電流，以便它將比轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)更高的場(chǎng)耦合到元件并轉(zhuǎn)換二進(jìn)制狀態(tài)。為了寫(xiě)入相反的位，將寫(xiě)入電流的方向反向。
低矯頑性層3用作讀出存儲(chǔ)狀態(tài)的裝置，其存儲(chǔ)在高矯頑性層2中，并因此公知為“參考層”。當(dāng)施加低磁場(chǎng)時(shí)，低矯頑性層3的磁化方向轉(zhuǎn)換為與低磁場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)，相對(duì)于高矯頑性層2平行或者反平行，而不轉(zhuǎn)換高矯頑性層2的磁化方向。除去施加的磁場(chǎng)后，參考層的取向必須是穩(wěn)定的，無(wú)論寫(xiě)入平行或反平行設(shè)置。由于這些平行和反平行設(shè)置具有不同的電阻，因此隨后可以讀回該電阻以確定“1”還是“0”已被存儲(chǔ)。
在MRAM陣列中，包括多個(gè)MRAM單元，正交的線在每個(gè)位之下和之上通過(guò)，承載產(chǎn)生轉(zhuǎn)換場(chǎng)的電流。設(shè)計(jì)每個(gè)位以當(dāng)僅向一條線施加電流時(shí)不發(fā)生轉(zhuǎn)換，當(dāng)電流流過(guò)在選定位交叉的兩條線時(shí)將通常發(fā)生轉(zhuǎn)換。
具有銅中間層的磁性多層和具有介電中間層的隧穿磁性多層之間物理和磁性的相似性暗示了，可以以與PSV單元十分相同的方式構(gòu)造隧穿存儲(chǔ)單元，但具有某些限制，如在J.M.Daughton等的“Applications of spin dependent transport materials”，J.Phys.DAppl.Phys.32(1999) R169-177中所介紹的，例如使用較小的感應(yīng)電流，其不能被用于輔助單元的轉(zhuǎn)換。這暗示對(duì)于TMR比PSV單元具有額外的接觸和更低的密度。
在S.Tehrani等的“Progress and outlook for MRAMtechnology”，IEEE Transactions on Magnetics，1999年9月第35卷第5期中介紹了典型的TMR結(jié)構(gòu)，在圖2中示出。TMR材料疊層10包括兩個(gè)磁性層，固定或釘扎磁性層11和自由磁性層12，例如其都由NiFe構(gòu)成，被例如由AlOx制成的薄介電阻擋層13分隔開(kāi)，和例如IrMn釘扎層14的機(jī)制，以將固定磁性層11其中之一的極化釘扎到固定方向。對(duì)于非耦合、自由、鐵磁性膜，膜的磁性取向表現(xiàn)為在最后施加的飽和場(chǎng)方向中的滯后行為指向。如果施加飽和場(chǎng)并隨后移開(kāi)，自由膜的磁性取向?qū)樵摯艌?chǎng)的方向。如果將施加的飽和場(chǎng)的方向反向并再次移開(kāi)，膜的磁性取向?qū)⒎聪?。由此，在零施加?chǎng)中，兩個(gè)取向都是可能的。
分別在多層疊層之下和頂部上設(shè)置底電極15和頂電極16。使用自由磁性層12的極化方向作為信息存儲(chǔ)，對(duì)于寫(xiě)入操作僅僅自由層12的磁化需要被反向。
單元10的電阻很大，并且感應(yīng)電流很小(μA范圍)。存儲(chǔ)位的電阻為低或高取決于自由層12關(guān)于釘扎或固定磁性層11的相對(duì)極性、平行或反平行。外部施加的場(chǎng)可以在兩種狀態(tài)(與固定層11的磁化方向平行或反平行)之間轉(zhuǎn)換自由層12的磁化。
因?yàn)樵谧x取模式期間TMR電阻的絕對(duì)值要與參考單元比較，因此在這種結(jié)構(gòu)中單元的MR比率和絕對(duì)電阻的一致性是嚴(yán)格的。如果在存儲(chǔ)塊中有源裝置電阻顯示出很大的電阻變化，則當(dāng)它們與參考單元比較時(shí)將會(huì)發(fā)生信號(hào)誤差。TMR單元10的電阻指數(shù)性取決于AlOx阻擋層13的厚度。因此，預(yù)計(jì)AlOx厚度的很小變化就會(huì)引起電阻很大的變化。
在US-5,936,293和US-6,052,263中也介紹了TMR結(jié)構(gòu)。
在TMR多層裝置10中，因?yàn)殡娮颖仨毸泶┳钃鯇?3，因此感應(yīng)電流Is必須垂直于層平面施加(CPP-垂直于平面的電流)。在GMR裝置中，例如PSV1，感應(yīng)電流Is通常在層的平面中流動(dòng)(CIP-面內(nèi)電流)，盡管CPP結(jié)構(gòu)提供了更大的磁阻效應(yīng)。CPP GMR結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子是雙自旋閥，其在中間具有一個(gè)高矯頑性層，被兩個(gè)低矯頑性層環(huán)繞。從頂?shù)降诇y(cè)量電阻。在這種情況中，MR效應(yīng)加倍。
從存儲(chǔ)密度角度估計(jì)，在幾年時(shí)間內(nèi)，存儲(chǔ)元件不會(huì)大于200×200nm。這么小的單元尺寸將引起嚴(yán)重的微磁問(wèn)題，其可以影響MRAM的穩(wěn)定性。已經(jīng)示出在室溫下類似的小鐵磁性微粒為鐵磁性的，但不知道在長(zhǎng)時(shí)間下其磁疇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在由單一磁性層構(gòu)成的小結(jié)構(gòu)的情況中，消磁場(chǎng)實(shí)際有助于穩(wěn)定單一磁疇狀態(tài)。但是，在自旋閥情況中，兩個(gè)鐵磁性和亞鐵磁性層的存在意味著最低能態(tài)是當(dāng)兩個(gè)磁化方向?qū)?zhǔn)為反平行時(shí)。這有效地意味著單元的平行態(tài)僅是亞穩(wěn)態(tài)的，并存在很大的可能，即兩個(gè)磁性層的磁化方向?qū)⑺p到低能量反平行結(jié)構(gòu)。
公知MRAM單元的缺點(diǎn)在于它們必須以特定方式讀出。
在具有固定磁化方向的自旋閥情況中，在自由磁性層中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)然其不應(yīng)被讀出干擾。在這種情況中，測(cè)量單元的絕對(duì)電阻以得知它的內(nèi)容；如果需要，相對(duì)于參考單元不同地測(cè)量。通過(guò)通常為晶體管的開(kāi)關(guān)元件來(lái)選擇單元，這意味著在這種情況下每個(gè)單元需要一個(gè)晶體管。
在PSV單元情況中，多個(gè)單元(N)串聯(lián)連接在字線中。通過(guò)測(cè)量字線(具有N個(gè)單元的串聯(lián))的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)讀出，而隨后向所需位線施加小的正和負(fù)脈沖。伴隨的磁場(chǎng)脈沖在兩個(gè)鐵磁性層的轉(zhuǎn)換場(chǎng)之間；由此，具有較高轉(zhuǎn)換場(chǎng)的層(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層)將保持不變，同時(shí)其它層的磁化將被設(shè)定在限定方向中并接著被反向。從產(chǎn)生的字線中電阻變化的跡象可以看出，在字線和位線的交叉點(diǎn)處的單元中存儲(chǔ)的是“0”還是“1”。
本發(fā)明的目的是提供一種MRAM單元，具有讀出在單元列上的單個(gè)單元的改進(jìn)的可能性。
通過(guò)按照本發(fā)明的磁性裝置實(shí)現(xiàn)了上述目的。這種裝置包括由非磁性間隔層分隔的第一和第二鐵磁性或亞鐵磁性層，由此形成多層結(jié)構(gòu)。第一鐵磁性或亞鐵磁性層具有第一值的矯頑力并被用作存儲(chǔ)層，第二鐵磁性或亞鐵磁性層具有低于第一值的第二值的矯頑力。而且，裝置包括當(dāng)處于體眠狀態(tài)時(shí)，將第一和第二鐵磁性或亞鐵磁性層的磁化方向強(qiáng)制成為反平行狀態(tài)的裝置。
按照一個(gè)實(shí)施例，強(qiáng)制裝置可以使用磁性各向異性。在這種情況中，選擇第二鐵磁性或亞鐵磁性層的組分來(lái)保證比由第一鐵磁性或亞鐵磁性層發(fā)射的雜散場(chǎng)更低的矯頑力值。
按照另一個(gè)實(shí)施例，強(qiáng)制裝置可以使用形狀各向異性。在這種情況中，第一和第二鐵磁性或亞鐵磁性層可以具有不同形狀。
強(qiáng)制裝置可以使用通過(guò)間隔層在第一和第二鐵磁性或亞鐵磁性層之間耦合的中間層。間隔層可以具有選擇的厚度，以便在第一和第二鐵磁性或亞鐵磁性層之間耦合的中間層在休眠狀態(tài)期間強(qiáng)制它們成為反平行狀態(tài)。
按照本發(fā)明的磁性裝置可以包括自旋隧道結(jié)?？商鎿Q地，磁性裝置基于巨磁阻(GMR)效應(yīng)。
本發(fā)明還提供了一種如任何上述實(shí)施例中介紹的磁性裝置陣列。
按照一個(gè)實(shí)施例，這種陣列可以包括配置成惠斯頓電橋的按照本發(fā)明的四個(gè)磁性裝置。
按照另一個(gè)實(shí)施例，通過(guò)以列串聯(lián)耦合和以行串聯(lián)耦合的磁性裝置形成陣列。該陣列還包括讀出電路，其在一行和一列上強(qiáng)加電位并讀出代表在一行和一列的會(huì)合點(diǎn)處的磁性裝置上存儲(chǔ)的值的讀出值。讀出電路可以將單個(gè)電脈沖強(qiáng)加到一行和一列上，以便讀出該讀出值。在這種陣列中，在磁性裝置上存儲(chǔ)的值可以表示二進(jìn)制代碼的“1”或“0”。
本發(fā)明還提供了作為接照本發(fā)明的磁性裝置任何實(shí)施例的磁性存儲(chǔ)元件、磁性傳感器或磁性讀頭的使用。
而且，本發(fā)明提供了基于改變施加的磁場(chǎng)而改變裝置的電阻，讀出按照本發(fā)明的任何實(shí)施例的磁性裝置的方法。在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供了基于改變施加的磁場(chǎng)而改變磁折射效應(yīng)，讀出按照本發(fā)明任何實(shí)施例的磁性裝置的方法。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)在于設(shè)計(jì)磁阻多層裝置(例如自旋閥或自旋隧道結(jié))，其通常優(yōu)選在反平行方向上對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)鐵磁性或亞鐵磁性層的磁化方向。論述了這樣做的三種可能方法磁性各向異性、形狀各向異性和中間層耦合。按照本發(fā)明的裝置特別適合于高微型化裝置。
盡管在本領(lǐng)域存在裝置恒定的改進(jìn)、變化和演變，但是可以相信本原理呈現(xiàn)出實(shí)質(zhì)上全新的和新穎的改進(jìn)，包括從現(xiàn)有讀出實(shí)際出發(fā)，提供了性能更有效、穩(wěn)定和可靠的裝置。更確切地說(shuō)，在人們嘗試避免層之間耦合的地方，本發(fā)明使用了兩個(gè)鐵磁性或亞鐵磁性層之間的耦合。鐵磁性層可以存在多個(gè)層。
通過(guò)以下結(jié)合附圖的介紹本發(fā)明的目的和特征將變得更加易懂，附圖通過(guò)例子說(shuō)明了發(fā)明的原理。該介紹僅是為了舉例，不限制發(fā)明的范圍。以下引證提及附圖的參考圖。
圖1是按照現(xiàn)有技術(shù)的偽自旋閥疊層的示意說(shuō)明。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)公知的典型TMR材料疊層的示意說(shuō)明。
圖3A和3B是按照本發(fā)明分別在存儲(chǔ)和讀出狀態(tài)中MRAM單元的“0”和“1”狀態(tài)的示意說(shuō)明。
圖4A和4B表示分別在常規(guī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法和按照本發(fā)明方法的情況中，讀出的MRAM單元的線。
圖5是各向異性場(chǎng)對(duì)NiFeCo膜組分相關(guān)性的示圖。
圖6是中間層耦合對(duì)Cu間隔層厚度相關(guān)性的示圖。
圖7示出部分的基于GMR的MRAM。
圖8示出部分的基于TMR的MRAM。
圖9A和9B分別示出流經(jīng)與TMR元件相關(guān)的位線和字線用于讀取和寫(xiě)入這種元件的電流。
將根據(jù)特定實(shí)施例并參照特定附圖介紹本發(fā)明，但發(fā)明不限于此，而是由權(quán)利要求限定。所介紹的附圖僅是示意性的并非限制性的。在附圖中，在某些情況中為了說(shuō)明的目的放大了裝置和它們層的尺寸。
按照本發(fā)明的磁性裝置在結(jié)構(gòu)上可以類似現(xiàn)有技術(shù)公知的PSV，在圖3A和3B中示出作為例子。其為包括至少兩個(gè)被非磁性間隔層23分隔的鐵磁性或亞鐵磁性層21、22的結(jié)構(gòu)，從而形成多層結(jié)構(gòu)20。其中一個(gè)鐵磁性層，例如層21，為高矯頑力層，另一個(gè)鐵磁性層，例如層22，為低矯頑力層。例如低矯頑力層22可以具有小于20Oe的矯頑力值，高矯頑力層21可以具有在20Oe和200Oe之間的矯頑力值。使用該高矯頑力層21作為存儲(chǔ)層，即該層21的磁化方向確定在單元20中存儲(chǔ)的是“0”還是“1”值。存儲(chǔ)層21的矯頑力值高于另一鐵磁性層22的矯頑力值。按照本發(fā)明，磁性裝置20還包括當(dāng)處于休眠或正常狀態(tài)時(shí)，用于將鐵磁性層21、22的磁化方向強(qiáng)制在反平行狀態(tài)中的裝置。通過(guò)休眠或正常狀態(tài)意為處于低或零磁場(chǎng)的狀態(tài)。低磁場(chǎng)可以是地磁場(chǎng)(50A/m)或通過(guò)環(huán)境強(qiáng)加的任何其它背景磁場(chǎng)。隨后更詳細(xì)地介紹用于將磁化方向強(qiáng)制在反平行狀態(tài)中的這種裝置。
如同現(xiàn)有技術(shù)MRAM存儲(chǔ)方法，使用足夠高的寫(xiě)入磁場(chǎng)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在按照本發(fā)明的磁性裝置20中，從而重新取向在高矯頑力層21中的磁化的取向。高矯頑力層21成為存儲(chǔ)層。關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)，低矯頑力層22可以是非常低的矯頑力層(具有0到20Oe之間的矯頑力值)，高矯頑力層21具有與在MRAM中目前存在的低矯頑力層可比擬的矯頑力(具有20到200Oe之間的矯頑力值)；高矯頑力層21應(yīng)容易地可轉(zhuǎn)換。
在圖3A中說(shuō)明了代表值“0”和“1”的單元20的存儲(chǔ)狀態(tài)。為了尋址單元20用于在單元陣列中寫(xiě)入，向一行施加所需的寫(xiě)入電流值的一半，向一列施加等量的電流。接著全電流在陣列中尋址單個(gè)單元。該半選擇過(guò)程需要每個(gè)磁滯回線足夠方，以便施加和去除半轉(zhuǎn)換場(chǎng)使單元保留在其原始狀態(tài)。通過(guò)組合字電流和感應(yīng)電流在單元20中寫(xiě)入存儲(chǔ)狀態(tài)，從而生成的總磁場(chǎng)超過(guò)硬磁性層21的轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)。例如，為了寫(xiě)入“1”狀態(tài)，施加相應(yīng)正磁場(chǎng)的字電流；為了寫(xiě)入“0”狀態(tài)，在相反方向上施加字電流。當(dāng)施加正磁場(chǎng)時(shí)，硬磁性層21的磁化方向例如轉(zhuǎn)換到右。立即地，軟磁性層22的磁化方向也轉(zhuǎn)換到相同的方向。但是，提供了當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)將硬磁性層21和軟磁性層22的磁化方向強(qiáng)制在反平行方向中的裝置，從而當(dāng)在硬磁性層21中寫(xiě)入“1”狀態(tài)，并去除(通過(guò)寫(xiě)入電流施加的)磁場(chǎng)時(shí)，軟磁性層22的磁化方向向著反平行方向轉(zhuǎn)換。
按照本發(fā)明，具有低矯頑力的層22為充分地磁性軟，從而它的磁化常常衰減為與休眠狀態(tài)中，即去除磁場(chǎng)時(shí)的存儲(chǔ)層反平行?，F(xiàn)在將低矯頑力層22稱為磁性保持層，因?yàn)樗试S雜散磁通量從存儲(chǔ)層21返回。由于保持層22，在零外部磁場(chǎng)(H施加的＝0)或低外部磁場(chǎng)(例如H施加的＝50A/m)中所有的單元將具有磁化的低能量反平行取向，而獨(dú)立于單元的內(nèi)容。而且，它們還將都具有相同(高)的電阻。
為了讀取這種MRAM單元20的內(nèi)容，使用讀取脈沖設(shè)定保持層22的磁性取向并確定在高矯頑力存儲(chǔ)層21中的磁化取向。這在圖3B中說(shuō)明，其中在讀出狀態(tài)中示出代表值“0”和“1”的單元20。通過(guò)施加如圖3B所示的外部場(chǎng)H施加的從單元20讀取存儲(chǔ)狀態(tài)，其足夠大以轉(zhuǎn)換軟磁性層22的磁化方向，還須足夠小以保留硬磁性層21的磁化方向不變。讀出的單元20的軟磁性層22的磁化方向已與施加的外部磁場(chǎng)H施加的對(duì)準(zhǔn)，或轉(zhuǎn)換到該場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)。這意味著對(duì)于存儲(chǔ)了其中硬磁性層21的磁化方向與施加的外部磁場(chǎng)H施加的對(duì)準(zhǔn)的狀態(tài)的單元20(在圖3B例子的情況中為“0”狀態(tài))，軟磁性層22的磁化方向從反平行轉(zhuǎn)換到平行。對(duì)于存儲(chǔ)了其中硬磁性層21的磁化方向與施加的外部磁場(chǎng)H施加的反平行的狀態(tài)的單元20(在圖3B例子的情況中為“1”狀態(tài))，由此軟磁性層22的磁化方向與施加的外部場(chǎng)H施加的平行，不發(fā)生轉(zhuǎn)換。因此，“0”狀態(tài)的電阻保持高(兩個(gè)磁化方向保持反平行)，而“1”狀態(tài)的電阻變?yōu)榈?兩個(gè)磁化方向變成平行)。
當(dāng)使用這種存儲(chǔ)機(jī)制用于MRAM，并具有較小單元尺寸時(shí)，低能存儲(chǔ)狀態(tài)(兩個(gè)磁化方向反平行)將比當(dāng)必須維持平行對(duì)準(zhǔn)時(shí)更穩(wěn)定。事實(shí)上，根據(jù)讀取，某些單元將需要轉(zhuǎn)換到平行狀態(tài)，而該狀態(tài)僅需要讀出時(shí)間，例如，平行狀態(tài)維持穩(wěn)定大約1ns讀出時(shí)間。在讀出期間外部磁場(chǎng)的存在還穩(wěn)定了平行狀態(tài)。
用按照本發(fā)明在MRAM單元20中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方法，每個(gè)單元20在休眠狀態(tài)具有相同的電阻，而無(wú)論其內(nèi)容如何，即無(wú)論在單元20中存儲(chǔ)的是“1”或“0”。這示出了對(duì)于MRAM陣列的優(yōu)點(diǎn)，其中每單元線僅使用一個(gè)晶體管用于讀出。在圖4中，考慮了用數(shù)據(jù)寫(xiě)入的單元線。
如果使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的常規(guī)方法(圖4A)，讀取選擇的MRAM單元30的電阻不能簡(jiǎn)單地通過(guò)讀取或測(cè)量字線的總電阻實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)樽志€上的電阻還取決于線中所有其它單元中的數(shù)據(jù)。通常在例如正向方向中通過(guò)首先將讀出脈沖31發(fā)送到要讀出的單元30(經(jīng)與字線正交的位線)來(lái)解決該問(wèn)題。接著必須測(cè)量單元30的電阻，隨后發(fā)送負(fù)脈沖32。還必須再次測(cè)量電阻，并根據(jù)兩個(gè)電阻的相減，找到要讀出的單元30的電阻。這種讀出方法具有其很慢的缺點(diǎn)。
圖4B示出按照本發(fā)明磁性裝置陣列的一部分，例如以列和行串聯(lián)成組。按照本發(fā)明，如從圖4B可以看出，僅需要一個(gè)讀出脈沖33來(lái)讀出特定單元34。通過(guò)讀出電路(未示出)提供讀出脈沖，還通過(guò)公知方法由該電路讀出被尋址元件的電阻。測(cè)量的電阻是將讀出的單元34狀態(tài)的絕對(duì)測(cè)量。實(shí)際上，已知了參考值是什么。如果施加脈沖33并改變電阻，則已知單元34的內(nèi)容為“1”；如果它不改變，則已知內(nèi)容為“0”(如果使用相反的規(guī)定，反之亦然)。電阻測(cè)量獨(dú)立于也在字線上的其它元件，由于它們?cè)谛菝郀顟B(tài)中具有相同的電阻。因此，由于在字線上的非尋址元件的電阻都是相同的并還都已知，可以考慮和/或消除這些電阻的效應(yīng)。按照本發(fā)明的裝置的該性質(zhì)可以用于GMR和TMR。
按照本發(fā)明的第一實(shí)施例，當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)強(qiáng)制設(shè)備為反平行狀態(tài)的裝置是磁性各向異性的。選擇“保持層”22的組分以保證極低的矯頑力。該低矯頑力應(yīng)低于從高矯頑力層21發(fā)出的雜散場(chǎng)。如果是這種情況，那么保持層將移動(dòng)至反平行設(shè)置。由于各種原因，發(fā)出磁場(chǎng)的強(qiáng)度難于估計(jì)，即它是不均勻的并取決于高矯頑力層的高寬比和構(gòu)成其的材料的磁矩。但是，如果假定矯頑力越低越好，那么例如通過(guò)使用圖5可以選擇保持層22的組分。假定沿著材料易磁化的軸在MRAM中施加場(chǎng)，那么如圖5給出的那樣，各向異性場(chǎng)等效于矯頑力。從該圖中，例如Ni80Fe20合金(鐵鎳合金)將表現(xiàn)為很好的侯選。通過(guò)圖5還可以選擇其它(具有高矯頑力HK)鐵磁性層。這應(yīng)考慮從字/位線產(chǎn)生的最大場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)函數(shù)磁化強(qiáng)度×厚度對(duì)于兩個(gè)鐵磁性層都相同時(shí)，獲得了最穩(wěn)定的反平行傳感器。如果對(duì)于兩個(gè)鐵磁性層函數(shù)磁化強(qiáng)度×厚度都相同，那么不存在雜散磁場(chǎng)。通過(guò)保持層可以返回來(lái)自一層的所有磁場(chǎng)。相反，如果對(duì)兩個(gè)鐵磁性層函數(shù)磁化強(qiáng)度×厚度不同，將存在使反平行能態(tài)更高的雜散場(chǎng)。如果在地磁場(chǎng)中使用該裝置，那么構(gòu)成層的材料以及它們的形狀、厚度和尺寸應(yīng)選擇為以使地磁場(chǎng)不會(huì)改變保持層的磁化。
但是，重要的是切記由于矯頑力隨著厚度增加而趨向于增加，例如鐵鎳合金的低矯頑力層的厚度也是重要的。對(duì)于低矯頑力層使用薄NiFe是有利的，因?yàn)閷?duì)于這種薄膜矯頑力值很低。例如，K.J.Kirk等在J.Phys.DAppl.Phys.34(2001)中有所介紹，其圖2示出在鐵鎳合金厚度的函數(shù)中矯頑力的值。
如果使單個(gè)鐵磁性層成為矩形微粒并處在給定寬度(通常為大約磁疇壁寬度)，那么磁化將位于沿著長(zhǎng)軸定向的單個(gè)磁疇?wèi)B(tài)中。但是，如果存在兩個(gè)鐵磁性層，那么在兩層中的磁化M的反平行配置將在給定高寬比上變得在能量方面更加有利?？梢酝ㄟ^(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員計(jì)算或通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定該高寬比是多少。如果保持層22具有足夠低的矯頑力，那么小微粒將常?！胺D(zhuǎn)”到反平行狀態(tài)。
按照本發(fā)明的第二實(shí)施例，當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)強(qiáng)制該設(shè)備成為反平行狀態(tài)的裝置是形狀各向異性的。延長(zhǎng)以沿長(zhǎng)軸的小鐵磁性微粒中的磁化偏向還可以被用來(lái)保證反平行休眠狀態(tài)。該實(shí)施例使用這一事實(shí)，即延長(zhǎng)的磁性材料，例如材料帶，具有在沿著其縱軸的一個(gè)方向中磁化自身的趨勢(shì)。即使兩層由相同的合金構(gòu)成，通過(guò)對(duì)一層使用高的高寬比也可以建立高矯頑力層。如果第二層(低矯頑力層)具有較低的高寬比，那么由于低高寬比微粒的磁化可以旋轉(zhuǎn)形成反平行對(duì)準(zhǔn)，則常常能獲得反平行狀態(tài)。
一般地，在多層結(jié)構(gòu)中的不同層具有相同的形狀，但是按照本發(fā)明，為了獲得不同的矯頑力，可以使用不同形狀的高和低矯頑力層，例如在不同方向上具有大和小軸(或者由此的容易軸)的橢圓，或者對(duì)于自旋隧道結(jié)或GMR-CPP，連續(xù)的軟磁性層，而將硬磁性層蝕刻成小條。
按照本發(fā)明的第三實(shí)施例，當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)強(qiáng)制該設(shè)備成為反平行狀態(tài)的裝置是層間耦合(跨越中間層23耦合)，通常指RKKY層間耦合。在圖6可以看到示出作為Cu層厚度函數(shù)的耦合曲線。存在三個(gè)可見(jiàn)峰值，僅頭兩個(gè)非常明顯。在中間層的最大厚度處，樣品被去耦。在公知裝置中，這是優(yōu)選條件。從圖6中可以看出，通過(guò)選擇與耦合強(qiáng)度的最小值一致的Cu層厚度(大約1.8nm的厚度)，可以降低反平行狀態(tài)的能量。圖6未示出但存在的耦合強(qiáng)度的另一最小值落在0.8nm的Cu層厚度。在Fe/Cr多層中可以使用的材料除了銅之外，還有釕(Ru)、銠(Rh)、金(Au)、銥(Ir)或鉻(Cr)。由此，本發(fā)明的實(shí)施例包括薄導(dǎo)電(金屬)中間層，其厚度選擇成以便在休眠狀態(tài)中形成高和低矯頑力層的反平行狀態(tài)。可以單獨(dú)使用該層間耦合，或者與上述實(shí)施例的其它裝置結(jié)合以確保反平行對(duì)準(zhǔn)。
GMR和TMR都可以使用按照本發(fā)明的反平行狀態(tài)原理。
按照本發(fā)明裝置的磁性層優(yōu)選應(yīng)在高真空機(jī)器中用埃/秒范圍內(nèi)的淀積速率濺射淀積。物理氣相淀積是尤其成功的，特別是平面磁控管濺射，和離子束淀積。還可以使用蒸發(fā)或電解淀積，盡管這些裝置的質(zhì)量趨向于較低。
控制磁性層的磁性性質(zhì)是重要的，這對(duì)淀積工藝引入特別的要求。例如，多數(shù)鐵磁性材料具有涉及原子標(biāo)度上排序的固有磁性各向異性。通過(guò)橫跨晶片施加磁場(chǎng)，在層淀積期間可以設(shè)置該備向異性的方向。觀測(cè)所產(chǎn)生的單軸各向異性作為層的磁化中磁性易和難的方向。因?yàn)楦飨虍愋暂S影響材料的轉(zhuǎn)換行為，因此在淀積期間，淀積系統(tǒng)必須能夠橫跨晶片投射均勻的磁場(chǎng)，一般為20-100Oe范圍。而且矯頑力取決于淀積工藝，還必須通過(guò)選擇磁性合金和淀積條件來(lái)控制。(軟和硬)磁性膜應(yīng)優(yōu)選每個(gè)為均勻的厚度。
所用的其它層與常規(guī)裝置的偽自旋閥中所用的相似。
本發(fā)明還包括在TMR裝置中的絕緣隧道阻擋層。已知制造絕緣隧道阻擋層TMR裝置的多種方法。對(duì)于通過(guò)淀積金屬性鋁層，并接著通過(guò)例如等離子體氧化、空氣中氧化、離子束氧化、輝光放電等離子體氧化、原子氧暴露或紫外激勵(lì)O2暴露等方法之一使其氧化制得的AlOx隧道阻擋層，獲得了最好的效果。隧道阻擋層非常薄，優(yōu)選小于20。除了非常光滑無(wú)針孔之外，在整個(gè)晶片上必須非常均勻，因?yàn)锳lOx厚度很小的改變將導(dǎo)致電阻很大的改變。
按照本發(fā)明的裝置可以是對(duì)磁場(chǎng)敏感的任何裝置，例如存儲(chǔ)單元(MRAM單元)、傳感器和磁場(chǎng)讀頭。
一種類型的傳感器使用惠斯頓電橋，其中配置按照本發(fā)明的四個(gè)磁阻元件，以使在零施加磁場(chǎng)下，電橋的輸出電流也為零。另一種類型的傳感器是旋轉(zhuǎn)位置傳感器，其中當(dāng)外部磁鐵在按照本發(fā)明的磁性裝置的條上旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，電阻從最小變到最大，并且在下次旋轉(zhuǎn)180°期間，電阻再次返回到其最小值。
圖7示出部分的包括GMR元件70的行和列的基于GMR的MRAM陣列。每個(gè)基于GMR的MRAM元件70是三層結(jié)構(gòu)，包括高矯頑力層71和低矯頑力層72，以及在它們之間的非磁性導(dǎo)體中間層73。在一行上的GMR元件70通過(guò)位線連接，在一列上的GMR元件70通過(guò)字線75連接。使用這些位線74和字線75在選中的GMR元件70的高矯頑力層71中寫(xiě)入磁化方向，并讀出選中的GMR元件70的內(nèi)容。通過(guò)同時(shí)經(jīng)字線75和經(jīng)位線74發(fā)送相當(dāng)大的電流執(zhí)行寫(xiě)入，其字線75和位線74在選中的GMR元件70處交叉。這些組合了電流使得在選中的GMR元件70處生成的總磁場(chǎng)使高矯頑力層71的磁化指向特定方向，取決于在GMR元件中寫(xiě)入“0”還是“1”。讀一位，或者由此確定高矯頑力層71的磁性取向，是通過(guò)在位線74上的讀出脈沖實(shí)現(xiàn)的，該脈沖足夠大以生成能夠轉(zhuǎn)換低矯頑力層72磁化方向的磁場(chǎng)。測(cè)量GMR元件70的電阻，從該測(cè)量獲知GMR元件70的內(nèi)容。
圖8示出部分的包括TMR元件80的行和列的基于TMR的MRAM陣列。每個(gè)元件80是層的結(jié)構(gòu)，包括固定或釘扎層81、自由層82和它們之間的介電阻擋層83。通過(guò)在鐵磁性或亞鐵磁性層81、82、其間有介電層83的夾層上施加小電壓，電子能夠隧穿介電阻擋層83。通過(guò)同時(shí)經(jīng)位線84施加第一寫(xiě)電流和經(jīng)字線85施加第二寫(xiě)入電流，執(zhí)行寫(xiě)入，如圖9B所示，字線85和位線84在選中的TMR元件80處交叉。這些組合的電流使得在選中的TMR元件80生成的總磁場(chǎng)使高矯頑力層81的磁化指向特定方向，取決于在TMR元件中寫(xiě)入“0”還是“1”。讀一位，或者因此確定選中的TMR單元80的高矯頑力層81的磁性取向，是通過(guò)在位線84上的讀出脈沖實(shí)現(xiàn)的，其可以轉(zhuǎn)換低矯頑性層82的磁化方向。這在圖9A中示出。測(cè)量TMR元件80的電阻，從該測(cè)量得知TMR元件80的內(nèi)容。
在圖8的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)TMR元件80需要一個(gè)晶體管86或開(kāi)關(guān)元件。當(dāng)這種選擇晶體管86對(duì)于選中的TMR元件80導(dǎo)通時(shí)，在位線84上的電流脈沖可以隧穿選中的TMR元件80。
本發(fā)明包括使用該裝置作為磁盤(pán)裝置的讀頭。磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的容量隨著其尺寸的縮小持續(xù)快速增長(zhǎng)。這意味著在更小的空間量中寫(xiě)入越來(lái)越多的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)被寫(xiě)入作為用磁性材料的薄膜覆蓋的磁盤(pán)上的微小磁化區(qū)域。信息(“1”或“0”)存儲(chǔ)作為這些區(qū)域的磁化方向。通過(guò)僅僅感測(cè)在磁盤(pán)上這些磁化區(qū)域上方的磁場(chǎng)來(lái)讀取信息?？梢砸匀缦路绞街圃彀凑毡景l(fā)明的讀取傳感器，使得非常小的磁場(chǎng)引起其電阻的可檢測(cè)的變化，這種電阻變化產(chǎn)生了與被發(fā)送到例如計(jì)算機(jī)的磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)相應(yīng)的電信號(hào)。
除了電阻，可以測(cè)量其它的性質(zhì)，例如光性質(zhì)，像磁折射效應(yīng)，其與電阻成比例由于施加的磁場(chǎng)引起折射率的變化，其表現(xiàn)電導(dǎo)率變化的效果。光的吸收和反射系數(shù)取決于折射率，因此透過(guò)和反射的紅外光強(qiáng)度與磁阻有關(guān)。由于測(cè)量光，因此無(wú)需歐姆接觸。
按照本發(fā)明的裝置趨于形成小單元，例如存儲(chǔ)單元，優(yōu)選具有最大尺寸小于50μm，最好小于1μm。
盡管參照優(yōu)選實(shí)施例示出并介紹了發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解不脫離發(fā)明的范圍和精神可以做出形式和細(xì)節(jié)上的多種變型或改進(jìn)。確切地說(shuō)，所介紹的優(yōu)選實(shí)施例涉及MRAM單元，但是其不是將發(fā)明的范圍限制到MRAM單元。而且，在上述介紹中在提及鐵磁性層的地方，不排除使用鐵磁性膜或?qū)?。?yīng)理解，在提及鐵磁性或亞鐵磁性層的地方，該層可以由多層構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.磁性裝置，包括-由非磁性間隔層分隔的第一和第二鐵磁性或亞鐵磁性層，由此形成多層結(jié)構(gòu)，第一鐵磁性或亞鐵磁性層具有第一值的矯頑力并被用作存儲(chǔ)層，第二鐵磁性或亞鐵磁性層具有低于第一值的第二值矯頑力，和-當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)制第一和第二鐵磁性或亞鐵磁性層的磁化方向?yàn)榉雌叫袪顟B(tài)的裝置。
2.按照權(quán)利要求1的磁性裝置，其中強(qiáng)制裝置使用磁性各向異性。
3.按照權(quán)利要求2的磁性裝置，其中選擇第二鐵磁性或亞鐵磁性層的組分選擇為以保證比由第一鐵磁性或亞鐵磁性層發(fā)出的雜散場(chǎng)更低的矯頑力值。
4.按照權(quán)利要求1的磁性裝置，其中強(qiáng)制裝置用形狀各向異性。
5.按照權(quán)利要求4的磁性裝置，其中第一和第二鐵磁性或亞鐵磁性層具有不同形狀。
6.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的磁性裝置，其中強(qiáng)制裝置使用通過(guò)間隔層在第一和第二鐵磁性或亞鐵磁性層之間耦合的中間層。
7.按照權(quán)利要求6的磁性裝置，其中，間隔層具有的厚度選擇為使得在休眠狀態(tài)期間，在第一和第二鐵磁性或亞鐵磁性層之間耦合的中間層強(qiáng)制它們?yōu)榉雌叫袪顟B(tài)。
8.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的磁性裝置，其中裝置包括自旋隧道結(jié)。
9.按照權(quán)利要求1到7任一項(xiàng)的磁性裝置，其中裝置基于巨磁阻(GMR)效應(yīng)。
10.一種按照權(quán)利要求1到9任一項(xiàng)的磁性裝置陣列。
11.按照權(quán)利要求10的陣列，包括配置成惠斯頓電橋的按照權(quán)利要求1到9任一項(xiàng)的四個(gè)磁性裝置。
12.按照權(quán)利要求10的陣列，其中磁性裝置以列串聯(lián)并以行串聯(lián)耦合，還包括讀出電路，該讀出電路在一行和一列上施加電位，并讀出代表在一行和一列的會(huì)合點(diǎn)處磁性裝置上存儲(chǔ)的值的讀出值。
13.按照權(quán)利要求12的陣列，其中在磁性裝置上存儲(chǔ)的值表示二進(jìn)制編碼為“1”或“0”。
14.按照權(quán)利要求12或13的陣列，其中讀出電路將單個(gè)電脈沖施加到一行和一列上以讀出該讀出值。
15.使用根據(jù)權(quán)利要求1到9任一項(xiàng)的裝置作為磁性存儲(chǔ)元件。
16.使用根據(jù)權(quán)利要求1到9任一項(xiàng)的裝置作為磁性傳感器。
17.使用根據(jù)權(quán)利要求1到9任一項(xiàng)的裝置作為磁性讀頭。
18.讀出按照權(quán)利要求1到9任一項(xiàng)的磁性裝置的方法，根據(jù)隨著改變施加的磁場(chǎng)而改變裝置的電阻。
19.讀出按照權(quán)利要求1到9任一項(xiàng)磁性裝置的方法，根據(jù)隨著改變施加的磁場(chǎng)而改變磁折射效應(yīng)。
全文摘要
介紹了可以用在亞微米單元尺寸中的磁性裝置單元，例如MRAM單元。本發(fā)明介紹了通過(guò)在當(dāng)不進(jìn)行讀出時(shí)自旋閥的兩個(gè)磁化方向?yàn)榉雌叫械奈恢蒙辖⒋鎯?chǔ)狀態(tài)，以便穩(wěn)定磁性裝置的方法。這避免了以這么小的尺寸在自旋閥或自旋隧道結(jié)中磁化方向的平行狀態(tài)變得不穩(wěn)定的問(wèn)題。高矯頑力存儲(chǔ)層與低矯頑力保持層結(jié)合。讀出過(guò)程還被簡(jiǎn)化為位線上的僅僅一個(gè)脈沖和字線中的電阻測(cè)量就足以確定在按照本發(fā)明的磁性裝置單元中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)H01L43/08GK1606783SQ02825699
公開(kāi)日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2002年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月20日
發(fā)明者M·F·吉爾里斯, K－M·H·倫斯森 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司