專利名稱：一種菱形的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子與固體電子技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器技術(shù)。
背景技術(shù)：
磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱MRAM)做為新型的信息存儲(chǔ)記錄器件，與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件比較，具有非易失、快速、抗輻射、抗干擾、低功耗、長(zhǎng)壽命和低成本等優(yōu)點(diǎn)，在民用和國(guó)防工業(yè)中有著極其重要的價(jià)值和應(yīng)用前景，如可應(yīng)用在計(jì)算機(jī)RAM、BIOS芯片，蜂窩電話、傳真機(jī)、固態(tài)錄象機(jī)、大容量存儲(chǔ)器和軍事目的與航天、航空等領(lǐng)域中。雖然2004年美國(guó)Mortorola公司已生產(chǎn)出4Mb的MRAM，但是，由于存儲(chǔ)單元的形狀對(duì)于存儲(chǔ)器的可靠性和記錄密度影響很大，應(yīng)此，尋找新的存儲(chǔ)單元的形狀以提高器件的可靠性和記錄密度，仍然是科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
眾所周知，MRAM是由磁性存儲(chǔ)單元陣列組成的，其單元的組合方式如圖1所示?，F(xiàn)已公知的MRAM存儲(chǔ)單元主要有矩形，環(huán)形，橢圓形等幾種。
T.Schref等人研究了矩形單元并發(fā)現(xiàn)矩形單元在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中有兩種磁矩分布狀態(tài)C態(tài)和S態(tài)(見(jiàn)文獻(xiàn)T.Schrefl，et al.，J.Appl，Phys.89，7000(2001))。但這兩種分布狀態(tài)不穩(wěn)定并對(duì)熱波動(dòng)很敏感(見(jiàn)文獻(xiàn)Anthony S.Arrott，Zeitschrift furMET.10，963(2002))。Anthony S.Arrott通過(guò)對(duì)矩形進(jìn)行剪裁在理論上獲得了一個(gè)穩(wěn)定的C態(tài)和一個(gè)亞穩(wěn)的S態(tài)。N.Dao等人研究了環(huán)形的單元(見(jiàn)文獻(xiàn)N.Dao，S.L.Whittenburg，IEEE Trans.Magn，39，2525(2003))。他們的研究結(jié)果表明當(dāng)環(huán)形的單元很小時(shí)，環(huán)形單元是通過(guò)兩個(gè)被稱作“洋蔥態(tài)”的穩(wěn)定的渦旋態(tài)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的。但環(huán)形的當(dāng)尺寸很小時(shí)，其磁化分布狀態(tài)與環(huán)內(nèi)外徑的比例及環(huán)的厚度緊密相關(guān)。因此，對(duì)洋蔥態(tài)來(lái)說(shuō)將會(huì)出現(xiàn)不一致的翻轉(zhuǎn)過(guò)程。這種不一致的翻轉(zhuǎn)過(guò)程將導(dǎo)致在環(huán)形單元之間出現(xiàn)一個(gè)很大的翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的分布，使得存儲(chǔ)信息出現(xiàn)誤碼，降低了MRAM的可靠性。Jehyun Lee等人研究了橢圓形的單元(見(jiàn)文獻(xiàn)JehyunLee，et al.，J.Magn.Magn.Mater.272-276(2004))。他們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)橢圓形的單元在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中沒(méi)有邊緣磁疇出現(xiàn)并有一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定均勻的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，但他們的研究同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在不同尺寸時(shí)橢圓也出現(xiàn)了不同的翻轉(zhuǎn)過(guò)程.不同的翻轉(zhuǎn)過(guò)程會(huì)造成信息讀寫(xiě)不可重復(fù)性，出現(xiàn)信息記錄的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種菱形的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元，由菱形磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元組成的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)具有讀寫(xiě)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的特點(diǎn)。
為了方便地描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先作術(shù)語(yǔ)定義存儲(chǔ)單元包括自由層，絕緣層和釘扎層(如圖3所示)，這三層皆為薄膜；長(zhǎng)軸a是指磁性層的易磁化軸方向，它是與位線垂直的(如圖2所示)；短軸b是指磁性層的難磁化軸方向，它是與字線垂直的(如圖2所示)；自由層是指MRAM單元的信息記錄層，一般是軟磁薄膜(如圖3所示)；絕緣層是指MRAM單元中的中間介質(zhì)材料，一般是AlOx(如圖3所示)；釘扎層是指MRAM單元中的一個(gè)磁矩相對(duì)固定的層，矯頑力比自由層大的薄膜構(gòu)成(如圖3所示)。
本發(fā)明提供的一種菱形的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元(如圖2、圖3所示)，它包括自由層4、絕緣層5、釘扎層6；其特征是所述的自由層4、絕緣層5、釘扎層6均為長(zhǎng)軸與短軸尺寸相同的菱形，自由層4、釘扎層6分別位于絕緣層5的上下兩側(cè)組成磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元，所述的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的俯視圖形狀是菱形，所述菱形的長(zhǎng)軸a與短軸b之比大于等于2，即a/b＞＝2。
本發(fā)明的工作原理是如圖3所示，本發(fā)明的存儲(chǔ)單元是多層膜的結(jié)構(gòu)，其中上層和下層是軟硬不同的磁性層，中間層為絕緣層。記錄時(shí)，字線和位線同時(shí)通以合適的電流，以便只在其交叉處單元的較軟磁性層(即自由層)的磁化狀態(tài)得到改變?nèi)绻麅蓪哟判詫?自由層和釘扎層)磁矩平行，則單元呈低阻態(tài)，可定義為“0”；若反平行，則單元呈高阻態(tài)，可定義為“1”，如此便實(shí)現(xiàn)了信息的記錄。
由于靜磁作用，存儲(chǔ)單元的磁性層會(huì)出現(xiàn)磁矩的非一致取向，以及反轉(zhuǎn)過(guò)程的多樣性，這就導(dǎo)致了記錄信息的不確定性和寫(xiě)入電流的不確定性，以致單元不能獲得唯一準(zhǔn)確可靠的讀寫(xiě)信息。所以，使單元具有一致取向的磁矩分布(單疇)，以及穩(wěn)定單一的磁化反轉(zhuǎn)過(guò)程是MRAM單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)菱形的長(zhǎng)軸短軸比大于2時(shí)，菱形的存儲(chǔ)單元具有穩(wěn)定的剩余磁化狀態(tài)，穩(wěn)定的磁化反轉(zhuǎn)模式，以及由此帶來(lái)的穩(wěn)定的反轉(zhuǎn)場(chǎng)。而且相對(duì)于現(xiàn)有的長(zhǎng)方形、橢圓形等存儲(chǔ)單元，菱形存儲(chǔ)單元具有更穩(wěn)定的剩磁結(jié)構(gòu)和磁化反轉(zhuǎn)過(guò)程。
另外，由于菱形邊緣的線性特征，易于圖形加工，因此菱形更適合作為MRAM存儲(chǔ)單元的形狀。
利用本發(fā)明提供的菱形存儲(chǔ)單元按公知的磁性存儲(chǔ)單元陣列就可以組成菱形單元的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器。由本發(fā)明提供的菱形的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元構(gòu)成的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器具有信息記錄準(zhǔn)確、讀寫(xiě)過(guò)程穩(wěn)定及信息記錄密度高等特點(diǎn)。


圖1是典型MRAM組成結(jié)構(gòu)圖其中，1是字線，2是存儲(chǔ)單元，3是位線；圖2是菱形存儲(chǔ)單元的俯視圖其中，a是菱形的長(zhǎng)軸，b是菱形的短軸；圖3是菱形存儲(chǔ)單元的主視圖其中，4是自由層，5是絕緣層，6是釘扎層；圖4是菱形存儲(chǔ)單元的星形曲線示意圖其中，橫坐標(biāo)表示單元易磁化軸方向上的外磁場(chǎng)，縱坐標(biāo)表示單元難磁化軸方向上的外磁場(chǎng)。7是長(zhǎng)軸短軸比為1的單元的星形曲線，8是長(zhǎng)軸短軸比為2的單元的星形曲線，9是長(zhǎng)軸短軸比為4的單元的星形曲線，10是長(zhǎng)軸短軸比為8的單元的星形曲線。
具體實(shí)施例方式采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)提供的OOMMF微磁學(xué)模擬軟件就可以看到本發(fā)明提供的菱形MRAM存儲(chǔ)單元的優(yōu)點(diǎn)。
我們模擬的典型的單元結(jié)構(gòu)為三層膜結(jié)構(gòu)，三層膜皆為菱形且長(zhǎng)軸與短軸尺寸相同。長(zhǎng)軸可以在200nm直到1600nm范圍內(nèi)任取一值、短軸為200nm，厚度分別為自由層5nm、絕緣層1.5nm、釘扎層5nm。模擬結(jié)論有如下幾點(diǎn)1)將其磁化到飽和后，其剩磁狀態(tài)為單疇，能夠保證信息的記錄
2)對(duì)于長(zhǎng)軸短軸比大于2的形狀，其反磁化均從單元中心開(kāi)始，向四周擴(kuò)展，反轉(zhuǎn)模式單一，因而反轉(zhuǎn)場(chǎng)也穩(wěn)定。
3)反映其反轉(zhuǎn)時(shí)所要的外加的X方向和Y方向的磁場(chǎng)大小的所謂“星形線”如圖4所示，該曲線是MRAM設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一。
從圖4可以看出，增加單元的長(zhǎng)軸短軸比，曲線向外移動(dòng)，即在相同的偏置場(chǎng)下，大的長(zhǎng)軸短軸比需要更高的反轉(zhuǎn)場(chǎng)。同時(shí)，當(dāng)長(zhǎng)軸短軸比的大于2時(shí)，其星形線差別不大，說(shuō)明單元的反轉(zhuǎn)場(chǎng)受單元的尺寸影響很小，其翻轉(zhuǎn)過(guò)程很穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種菱形的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元，它包括自由層(4)、絕緣層(5)、釘扎層(6)；其特征是所述的自由層(4)、絕緣層(5)、釘扎層(6)均為長(zhǎng)軸與短軸尺寸相同的菱形，自由層(4)、釘扎層(6)分別位于絕緣層(5)的上下兩側(cè)組成磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元，所述的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的俯視圖形狀是菱形，所述菱形的長(zhǎng)軸a與短軸b之比大于等于2，即a/b＞＝2。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種菱形的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元，它包括自由層(4)、絕緣層(5)、釘扎層(6)；其特征是所述的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的俯視圖形狀是菱形，所述菱形的長(zhǎng)軸a與短軸b之比(以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)寬比)大于等于2，即a/b＞＝2。由本發(fā)明提供的菱形的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元構(gòu)成的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器具有信息記錄準(zhǔn)確、讀寫(xiě)過(guò)程穩(wěn)定及信息記錄密度高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L43/00GK1790542SQ20041008151
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者張萬(wàn)里, 張文旭, 湯如俊, 彭斌, 蔣洪川, 張懷武 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)