專利名稱：磁性隧道結器件及存儲器陣列的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種存儲器存儲裝置，更具體地，涉及在磁性隧道結(MTJ)的自由層(free layer)中使用一亞鐵磁層(ferrimagnetic layer)和一反平行層(anti-parallel layer)。
背景技術：
磁性隨機存取存儲器(MRAM)技術采用存儲單元，例如，MTJ，通常每個MTJ具有至少兩磁性區(qū)域或層和位于它們中間的一電絕緣阻擋層。數(shù)據(jù)存儲原理依賴于該兩層的磁化的相對取向，且依賴于通過連接在這些層上的電極辨別其取向的能力。對于背景技術，請參考分別于1997年7月22日和1997年6月17日授予Gallagher等人的美國專利No.5,650,958和No.5,640,343，這里將其引入作為參考。
MTJ是一種器件，其通常包括被一薄絕緣層分隔的兩鐵磁電極。MTJ基于自旋極化電子磁道效應的現(xiàn)象。該絕緣層足夠薄，使得能夠在鐵磁電極間發(fā)生隧道效應。
現(xiàn)有的MTJ器件包括一“自由”鐵磁層，例如，鈷(Co)，和一“釘扎”鐵磁層，如，鈷-鐵(Co-Fe)，上述兩層被一絕緣隧道層分隔，如，氧化鋁?！搬斣辫F磁層的磁化取向在該層的平面內但是固定的，以致于在所需范圍內的外加磁場出現(xiàn)時不能旋轉。該釘軋鐵磁層被與相鄰反鐵磁層的界面交換耦合所固定?！白杂伞辫F磁層的磁化可在該層的平面內相對于釘扎鐵磁層的固定磁化而旋轉。
隧道現(xiàn)象是電子自旋相關的，使結的磁響應是兩電極的相對取向和自旋極化的函數(shù)。垂直流過兩鐵磁層和中間隧道阻擋層的隧道電流量依賴于兩鐵磁層的相對磁化方向。如果兩鐵磁層的磁軸彼此一致，MTJ器件中的電阻降低，使更高水平的電流流過MTJ器件。如果鐵磁層的磁軸彼此相反，更高水平的阻值將引起更低水平的電流流過MTJ器件。因此，通過流過MTJ器件的電流的測量值，可讀出自由層的磁狀態(tài)。
在存儲裝置的工作中，通過檢測隧道電阻，來推知MTJ中的自由層(freelayer)或存儲層相對于釘扎層(pinned layer)的磁化狀態(tài)，可以對MRAM器件進行讀取。通過利用外磁場，使自由層的磁化反轉，可向MRAM中寫入。如果將自由層想像為一簡單的單元磁體，其能自由旋轉，但對于與x軸平行或反平行對齊具有強能量選擇，并且如果釘扎層是相似的單元磁體，但是被凍結在+x方向，于是對于器件的自由層和釘扎層僅可能有兩種相對的磁化狀態(tài)，對準或反對準。
評價這些器件的性能時，多種參數(shù)是有用的。首先，兩種存儲狀態(tài)之間的電阻變化用磁阻MR描述，即，兩種狀態(tài)間阻值的百分比變化。歷史上，具有更高飽和磁化強度Ms的鐵磁性材料被用來獲得具有更高MR值的結(見，例如，R.Meservey and P.M.Tedrow，Phys.Rep.238，173(1994))。最近，已經(jīng)顯示在包含由Co、Fe和Ni合金形成的電極的MTJ中，飽和磁化強度的幅度與MR之間僅有微弱的聯(lián)系(D.J.Monsma and S.S.P Parkin，Appl.Phys.Lett.77，720(2000))。
其次，由于存儲單元陣列中通過沿引線的電流產生的場需要能夠旋轉存儲層的磁化，所以矯頑場強是有用的。當存儲器陣列的容量增加時，MTJ區(qū)域不可避免地變得更小和更致密。當這種情況發(fā)生時，對于器件的相同材料和厚度及相同長徑比和形狀，切換場強(也稱為矯頑場Hc)大致反比于橫向尺寸增加。利用電流設計，可迅速達到一種狀態(tài)，其中對更高密度的需要所要求的結尺寸致使矯頑場變得無法控制地大。
除了這些問題，當試圖將器件的尺寸減小到亞微米范圍時，出現(xiàn)了其它的問題。首先，存在強退磁化場，其趨于使位隨時間“抹除”。其次，退磁化場是不均勻的。具體地，在靠近器件的邊緣，退磁化場最強。因此，在制造中出現(xiàn)最困難的地點，控制器件的均勻性是最重要的。磁性元件邊緣的小缺陷可因此引起成核或釘扎位置，出現(xiàn)不需要的微磁結構，導致結性能的不可預見性。第三，采用多晶材料例如坡莫合金可引起器件性能變化的增加，因為微晶的隨機取向。在非常小的器件中，由晶粒結構引起的統(tǒng)計波動將變得更顯著。這些晶粒也會引起MTJ中電極間的隧道性能的變化，導致器件性能的更不確定性或變化。
已經(jīng)提出了幾種解決方案，以減輕這種上升的矯頑問題。首先，可減小存儲電極的飽和磁化強度，因為Hc與Ms成比例。但是，許多低Ms材料，例如，由Co或Fe與非磁性元素的合金化形成的材料具有低的MR。其次，可減小磁性電極的厚度，因為Hc與電極厚度成比例。但是，由于其極薄的電極，電流結位于連續(xù)邊緣上，進一步減小是非常困難的。
因此，需要一種新方法來制造MTJ器件，同時仍然留出調整矯頑場并提供明顯MR的自由度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的第一方面提供一種MTJ器件。該MTJ器件包括被一阻擋層分隔的一自由層和一釘扎層。MTJ的自由層包括一亞鐵磁性材料和一反平行層，至少在磁性隧道結器件的預定溫度范圍內，反平行層具有一大致與該亞鐵磁層的磁矩反平行的磁矩。亞鐵磁層和反平行層可被一間隔層分隔，或可以是彼此直接相鄰。
在一優(yōu)選實施例中，反平行層包括一鐵磁性材料。但是，反平行層也可包括具有不同于自由層中的亞鐵磁性材料的磁性能的亞鐵磁性材料。例如，反平行層所用的亞鐵磁性材料可具有不同于自由層的亞鐵磁性材料的補償溫度。
本發(fā)明的另一方面提供一存儲器陣列。該存儲器陣列包括多個存儲單元，至少一個存儲單元包括一MTJ，該MTJ具有一自由層，該自由層包括一亞鐵磁性材料和一反平行層，至少在磁性隧道結器件的預定溫度范圍內，反平行層的磁矩與該亞鐵磁層的磁矩大致反平行。


圖1是一剖視圖，顯示一亞鐵磁性材料的示例性磁化取向；圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的MTJ器件的剖視圖；圖3A是一剖視圖，顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的MTJ器件的磁化取向；圖3B是一剖視圖，顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的MTJ器件的替代磁化取向；以及圖4顯示至少一部分磁存儲器陣列，包括多個根據(jù)本發(fā)明實施例形成的MTJ器件。
具體實施例方式
圖1顯示一示例性亞鐵磁性材料塊100，包括鐵(Fe)原子120和鋱(Tb)原子140。通常認為亞鐵磁類材料大致包括兩種亞點陣，通常是一稀土金屬例如鋱和一過渡金屬例如鐵。在低溫下，即，低于補償溫度，圖1中的長箭頭所示的稀土磁矩140a大于圖1中短箭頭所示的過濾金屬磁矩120a。因此，在稀土磁矩方向上存在凈磁化強度。但是，隨著溫度升高，由于稀土磁矩受到弱交換力作用，稀土磁矩更迅速地下降。存在一中間溫度，有時稱作補償溫度(compensation temperature)(Tcomp)，在該溫度兩種點陣彼此抵銷，亞鐵磁性材料的凈磁化強度下降為零。低于和高于這個補償溫度，均存在一有限凈磁化強度。通過調整合金的成分，可以調整補償溫度。而且，通過合理選擇所采用的組分材料，也可調整合金的矯頑場強。
對于磁-光(MO)存儲可描述亞鐵磁性材料的另一性能。當“休息”時，即，當材料未被寫入時，MO介質不具有凈磁矩。但是，用來詢問磁化狀態(tài)的激光僅與過渡金屬亞點陣強烈互作用。因此，即使不具有凈磁矩，兩個截然不同的狀態(tài)可被光學地分辨出來。
以與上述的MO例子相似的方式，隧道信號對優(yōu)選的一種亞點陣的磁化狀態(tài)敏感。另外，通過借助選擇亞鐵磁性層中的組成材料來相對于工作溫度調節(jié)補償溫度，可設定磁化強度。對于所需應用，這樣可有效調整矯頑場強至適當?shù)乃健?br> 在2000年11月8日提交的并在此處參考引用的題為“Magnetic TunnelJunctions Using Ferrimagnetic Materials”的專利申請No.09/708,207，本申請的發(fā)明人公開了亞鐵磁性材料在MTJ器件中的使用。更具體地，在該在先提交的申請的優(yōu)選實施例中，發(fā)明人公開了在MTJ的自由層中使用亞鐵磁性材料，以提高MRAM存儲器的選擇性。當在自由層中使用亞鐵磁性材料時，期望控制所有的元件，除了選在亞鐵磁層的補償溫度或附近的元件外。這意味著應該仔細控制MRAM器件的熱環(huán)境，否則器件的磁性能會改變并減小該器件的工作范圍(window of operability)，或使其不能工作。采用一內建熱源和溫度調節(jié)電路可執(zhí)行熱控制，如2002年5月7日授予本申請相同發(fā)明人的題為“Thermally Assisted MRAM”的美國專利No.6,385,082，以及2002年4月23日由本申請相同發(fā)明人提交的題為“Memory StorageDevice With Heating Element”的美國申請No.10/128,838中所述，上述兩者在這里作參照引用。但是，MRAM器件的性能與發(fā)生在依賴于熱控制方法論的這些器件中的溫度漂移成比例地受損。
這里提供的MTJ器件在MTJ器件的自由層中同時使用一亞鐵磁層和一反平行層。除了使用一亞鐵磁層，還使用一反平行層作為自由層的一部分，籍此，MTJ可被配置為在靜止模式中遠離補償溫度而工作，該模式即MTJ器件的自由層沒有被轉換(switched)時。如上所述，當MTJ作為存儲器陣列裝置的一部分被寫入時，MTJ可被轉換。當MTJ被選擇用于寫入時，該MTJ可被加熱，使達到或至少接近自由層中的亞鐵磁層的補償溫度。因此這種結構允許被選擇的MTJ在補償溫度時被轉換，而不是遠離補償溫度，從而避免與溫度漂移相關。
圖2顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的MTJ器件200的示意圖。該器件200包括被一阻擋層280分隔的一自由層205和一釘扎層260。根據(jù)本發(fā)明，該自由層205包括一亞鐵磁層210和一反平行層220。
在一個示例實施例中，自由層205還包括一間隔層240，其分隔亞鐵磁層210和反平行層220。因此，根據(jù)本發(fā)明的自由層205可形成如圖2所示的夾層復合體。
作為選擇地，自由層205可缺少一間隔層，因此亞鐵磁層210和反平行層220彼此直接相鄰。在這個實施例中，亞鐵磁層210和反平行層220可以直接交換耦合在一起。盡管不被理論所約束，但是認為反平行層220，例如反平行層220的鐵磁性材料，可與亞鐵磁層210的兩種組成亞點陣中的一種進行交換耦合。因此，當溫度低于補償溫度時，亞鐵磁層210和反平行層220的磁化不會在自由層205中產生凈磁矩。當溫度高于補償溫度時，兩層的磁矩可相加，在被選擇的和未被選擇的MTJ之間提供更大的區(qū)分。
現(xiàn)有技術已經(jīng)知道亞鐵磁層210包括一第一亞鐵磁性材料。這種亞鐵磁性材料的例子是包括釓(Gd)、Tb和鏑(Dy)中的至少一種且還包括Fe和Co中的至少一種的合金。
反平行層220優(yōu)選地包括鐵磁材料。鐵磁材料在現(xiàn)有技術中是公知的。替代地，反平行層220可包括一第二亞鐵磁性材料，其具有不同于亞鐵磁層210中包含的第一亞鐵磁性材料的性能。例如，可選擇反平行層220的厚度和補償溫度，使得在MRAM器件的工作溫度下，在自由層205中出現(xiàn)亞鐵磁層210中的第一磁性材料的磁矩和反平行層220的第二亞鐵磁性材料的磁矩之間的平衡。此外，當接近亞鐵磁層中的第一亞鐵磁性材料或反平行層中的第二亞鐵磁性材料的補償溫度時，隨著被選擇的MTJ的自由層210的溫度變化，可產生自由層210的磁矩的較突然變化。
反平行層220一直被這樣標識，因為當MTJ處于休息溫度，即，當MTJ沒有被選擇用于寫(即，使其自由層的磁化被轉換)時，反平行層220的磁矩大致與亞鐵磁層210的磁矩反平行。大致反平行，如這里所使用的，意味著反平行層220的磁矩和亞鐵磁層210的磁矩成大致180度分開。這種反平行結構允許在例如MRAM器件的工作溫度下，亞鐵磁層210和反平行層220的磁矩相互抵消。由溫度變化引起的不平衡將產生自由層205的凈磁矩。
間隔層240，如果被采用，其分隔第一亞鐵磁層210和反平行層220，優(yōu)選地包括一非導磁材料。優(yōu)選地，間隔層所采用的材料是具有高熱導性的材料，如一金屬。間隔層240可被選擇為具有直接反平行交換耦合，或可提供一磁性隔離，使得由于亞鐵磁層210和反平行層220之間的偶極子耦合，有利于反平行結構。
釘扎層260可以是現(xiàn)有的，且優(yōu)選地包括坡莫合金或現(xiàn)有技術中公知的其它鐵磁性材料。MTJ器件還可包括一固定層(fixing layer)290。固定層290是一大致固定釘扎層260的磁化取向的層。例如，當釘扎層260由鐵磁性材料構成時，固定層290優(yōu)選地是一反鐵磁性材料。阻擋層280優(yōu)選地包括現(xiàn)有技術中公知的電絕緣材料，例如氧化鋁。
本發(fā)明的MTJ不局限于上述各種層的任何具體結構。例如，在圖2所示的自由層205的優(yōu)選結構中，亞鐵磁層210位于間隔層240的上方，反平行層220位于間隔層240的下方并與阻擋層280相鄰。如上所述，反平行層220優(yōu)選地是一鐵磁層。如MTJ器件中的現(xiàn)有作法那樣，將包含鐵磁性材料的反平行層220定位在鄰近阻擋層280且最靠近釘扎鐵磁層260，可具有允許兩鐵磁層之間出現(xiàn)隧道效應的效果。因此，在沉積包括MTJ的層中可采用MRAM隧道結上的有效工作實體。MTJ器件的另一示例性結構是將亞鐵磁層210定位為與阻擋層280相鄰，而反平行層220位于間隔層240的上方。本發(fā)明也考慮MTJ器件的其它結構。
根據(jù)一個實施例，自由層205的凈磁化和釘扎層260的磁化均可取向在平行于層205和層260的平面內。替代地，層205和層260的磁化均可取向在垂直于層205和層260的平面內。根據(jù)另一實施例，層205和層206彼此間可以以一角度磁化，優(yōu)選地是垂直。
圖3A和圖3B顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的自由層和釘扎層的磁化取向。如圖所示，自由層302和釘扎層304被一隧道阻擋層306所分隔，如氧化鋁。自由層302的特征是磁化取向如箭頭302a所示。釘扎層304是一磁性材料，例如鐵磁或亞鐵磁，其具有自身的磁化取向，如箭頭304a所示，該磁化取向與箭頭302a所示的磁化之間有一角度。如圖3A和3B所示，該角度優(yōu)選地是約90度。下面將理解，圖3A和圖3B的MTJ器件應該具有箭頭302a和304a之間的一非零角，從而允許讀出附近媒質308的磁化中的位308a。
這里還提供一種存儲器陣列，例如一MRAM陣列。圖4顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲器陣列。該存儲器陣列包括多個存儲單元，其優(yōu)選地包括一MTJ器件200，以與圖2所示一致的方式形成該MTJ器件。從圖4可知，MTJ優(yōu)選地被放置在字線1、2、3和位線4、5、6的相交區(qū)域且垂直間隔在線間。盡管圖4顯示了3條字線和3條位線，但存儲器陣列中的線數(shù)量通常更大。位線優(yōu)選地定向在不同的方向，例如，垂直于字線的方向，因此當從上方看過去，兩套線形成交叉區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實施例，通過僅加熱被選擇的一個或多個MTJ，存儲器陣列中的MTJ或該陣列中的MTJ組的寫入選擇性可被選擇性地增加，從而減少對鄰近單元的意外寫入的可能性，提高被選擇的MTJ的轉換特性的質量。
通過采用如圖2所示的具有一亞鐵磁層210和一反平行層220的自由層205，可以使諸如MRAM器件的存儲器陣列裝置的靜止元件處于低于補償溫度的溫度下，且仍然對外磁場不敏感?？蛇x擇自由層205的磁化和層厚，使得在MRAM器件的工作溫度下，復合自由層210的凈磁矩很低或等于零，該工作溫度被選擇來比補償溫度足夠低，使得亞鐵磁矩弱溫度相關。
在選擇過程中，被選的MTJ器件的自由層復合體可被加熱，例如，通過流過MTJ器件的電流。亞鐵磁層210中的亞鐵磁性材料的磁矩可被驅動為零或接近零，使得自由層210中的亞鐵磁層210和反平行層220(優(yōu)選地是鐵磁性的)的凈磁矩迅速上升。在這種情況下，在一大大減小的磁場下，存儲器陣列中的被選擇的MTJ是可轉換的。因此，通過加熱器件至達到或接近其補償溫度來選擇MTJ可通過引起MTJ器件的自由層205中的亞鐵磁層210和反平行層220的磁矩的不平衡，來大幅降低器件的轉換場(Switchingfield)。降低用于轉換器件狀態(tài)(或存儲裝置的寫入)的場，大大提高了在MTJ中準確寫入一所需狀態(tài)的能力，同時允許存儲陣列中的其它未被選擇的(即未被加熱的)MTJ抵制任意不期望的狀態(tài)改變。
對于這種結構，通過增加加熱電流引起的選擇和非選擇轉換場的比率，可增強選擇性，該比率由自由層中的磁矩的抵消度所決定。由于工作點的亞鐵磁矩比存儲器存儲裝置工作在補償溫度或接近補償溫度時溫度敏感度性更低，所以這個抵消度對工作溫度相對不敏感。而且，在施加寫入磁場時，如果器件的溫度經(jīng)過補償溫度，則可實現(xiàn)最大的選擇。因此，本發(fā)明提供的存儲器陣列的工作溫度范圍比現(xiàn)有MTJ器件所提供的更大。
雖然已經(jīng)結合其優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是磁性材料和器件領域內的技術人員可作出各種改變和變化。因此，應該理解本發(fā)明包括權利要求書最大程度涵蓋的所有這些變化。
權利要求
1.一種磁性隧道結器件，包括一自由層和一釘扎層，所述自由層和所述釘扎層被一阻擋層分隔，其特征在于，所述自由層包括一亞鐵磁層，其包括一亞鐵磁性材料；以及一反平行層，緊鄰亞鐵磁層，至少在該磁性隧道結器件的一預定溫度范圍內，反平行層的磁矩大致與亞鐵磁層的磁矩反平行。
2.根據(jù)權利要求1的磁性隧道結器件，其特征在于，所述亞鐵磁層和所述反平行層由一間隔層分隔。
3.根據(jù)權利要求1的磁性隧道結器件，其特征在于，所述亞鐵磁層和所述反平行層彼此直接相鄰。
4.根據(jù)權利要求1的磁性隧道結器件，其特征在于，所述反平行層包括一鐵磁性材料。
5.根據(jù)權利要求1的磁性隧道結器件，其特征在于，所述反平行層包括補償溫度不同于所述亞鐵磁層中的所述亞鐵磁性材料的補償溫度的一亞鐵磁性材料。
6.根據(jù)權利要求1的磁性隧道結器件，其特征在于，反平行層與所述阻擋層相鄰。
7.根據(jù)權利要求1的磁性隧道結器件，其特征在于，亞鐵磁層與所述阻擋層相鄰。
8.根據(jù)權利要求1的磁性隧道結器件，其特征在于，所述釘扎層包括一鐵磁性材料。
9.根據(jù)權利要求8的磁性隧道結器件，其特征在于，所述器件還包括一反鐵磁層，其與所述釘扎層耦合。
10.根據(jù)權利要求1的磁性隧道結器件，其特征在于，所述亞鐵磁層具有對其溫度變化敏感的磁化狀態(tài)。
11.一種存儲器陣列，包括多個存儲單元，至少一個所述存儲單元包括一磁性隧道結器件，該器件包括被一阻擋層分隔的一自由層和一釘扎層，其特征在于，所述自由層包括一亞鐵磁層，包括一亞鐵磁性材料；以及一反平行層，緊鄰亞鐵磁層，至少在磁性隧道結器件的一預定溫度范圍內，反平行層的磁矩大致與亞鐵磁層的磁矩反平行。
12.如權利要求11的存儲器陣列，其特征在于，所述亞鐵磁層和所述反平行層被一間隔層分隔。
13.如權利要求11的存儲器陣列，其特征在于，所述亞鐵磁層和所述反平行層直接彼此相鄰。
14.如權利要求11的存儲器陣列，其特征在于，所述反平行層包括一鐵磁性材料。
15.如權利要求11的存儲器陣列，其特征在于，所述反平行層包括補償溫度不同于所述亞鐵磁層中的所述亞鐵磁性材料的補償溫度的一亞鐵磁性材料。
16.如權利要求11的存儲器陣列，其特征在于，所述自由層中的反平行層與所述阻擋層相鄰。
17.如權利要求11的存儲器陣列，其特征在于，所述自由層中的亞鐵磁層與所述阻擋層相鄰。
18.如權利要求11的存儲器陣列，其特征在于，所述釘扎層包括一鐵磁性材料。
19.如權利要求18的存儲器陣列，其特征在于，所述器件還包括一反鐵磁層，其與所述釘扎層耦合。
20.如權利要求11的存儲器陣列，其特征在于，所述亞鐵磁層具有對其溫度變化敏感的磁化狀態(tài)。
21.如權利要求11的存儲器陣列，其特征在于，所述陣列的工作溫度低于亞鐵磁層的補償溫度。
22.如權利要求11的存儲器陣列，其特征在于，所述陣列是一磁性隨機存取存儲器裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁性隧道結器件及存儲器陣列，該陣列包括該磁性隧道結器件。該磁性隧道結器件包括被一阻擋層分隔的一自由層和一釘扎層。根據(jù)本發(fā)明，自由層包括一亞鐵磁層和一反平行層，至少在磁性隧道結器件的預定溫度范圍內，反平行層的磁矩大致與亞鐵磁層的磁矩反平行。
文檔編號H01L43/08GK1476109SQ0314878
公開日2004年2月18日 申請日期2003年6月26日 優(yōu)先權日2002年6月28日
發(fā)明者戴維·W·亞伯拉罕, 菲利普·L·特魯伊勞德, L 特魯伊勞德, 戴維 W 亞伯拉罕 申請人:國際商業(yè)機器公司